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篇（1）

微電子技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家科技進(jìn)步和綜合國力的重要標(biāo)志之一。因此，學(xué)習(xí)微電子，認(rèn)識微電子，使用微電子，發(fā)展微電子，是信息社會發(fā)展過程中，當(dāng)代大學(xué)生所渴求的一個重要課程。生活在當(dāng)代的人們，沒有不使用微電子技術(shù)產(chǎn)品的，如人們每天隨身攜帶的手機(jī)；工作中使用的筆記本電腦，乘坐公交、地鐵的IC卡，孩子玩的智能電子玩具，在電視上欣賞從衛(wèi)星上發(fā)來的電視節(jié)目等等，這些產(chǎn)品與設(shè)備中都有基本的微電子電路。微電子的本領(lǐng)很大，但你要看到它如何工作卻相當(dāng)難，例如有一個像我們頭腦中起記憶作用的小硅片—它的名字叫存儲器，是電腦的記憶部分，上面有許許多多小單元，它與神經(jīng)細(xì)胞類似，這種小單元工作一次所消耗的能源只有神經(jīng)元的六十分之一，再例如你手中的電話，將你的話音從空中發(fā)射出去并將對方說的話送回來告訴你，就是靠一種叫“射頻微電子電路”或叫“微波單片集成電路”進(jìn)行工作的。它們會將你要表達(dá)的信息發(fā)送給對方，甚至是通過通信衛(wèi)星發(fā)送到地球上的任何地方。其傳遞的速度達(dá)到300000KM/S，即以光速進(jìn)行傳送，可實現(xiàn)雙方及時通信。“微電子”不是“微型的電子”，其完整的名字應(yīng)該是“微型電子電路”，微電子技術(shù)則是微型電子電路技術(shù)。微電子技術(shù)對我們社會發(fā)展起著重要作用，是使我們的社會高速信息化，并將迅速地把人類帶入高度社會化的社會。“信息經(jīng)濟(jì)”和“信息社會”是伴隨著微電子技術(shù)發(fā)展所必然產(chǎn)生的。

1.2微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料——取之不盡的硅

位于元素周期表第14位的硅是微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，硅的優(yōu)點是工作溫度高，可達(dá)200攝氏度；二是能在高溫下氧化生成二氧化硅薄膜，這種氧化硅薄膜可以用作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩護(hù)膜，從而能使擴(kuò)散、光刻等工藝結(jié)合起來制成各種結(jié)構(gòu)的電路，而氧化硅層又是一種很好的絕緣體，在集成電路制造中它可以作為電路互聯(lián)的載體。此外，氧化硅膜還是一種很好的保護(hù)膜，它能防止器件工作時受周圍環(huán)境影響而導(dǎo)致性能退化。第三個優(yōu)點是受主和施主雜質(zhì)有幾乎相同的擴(kuò)散系數(shù)。這就為硅器件和電路工藝的制作提供了更大的自由度。硅材料的這些優(yōu)越性能促成了平面工藝的發(fā)展，簡化了工藝程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大規(guī)模集成電路得到了迅猛的發(fā)展。

1.3集成電路的發(fā)展過程

20世紀(jì)晶體管的發(fā)明是整個微電子發(fā)展史上一個劃時代的突破。從而使得電子學(xué)家們開始考慮晶體管的組合與集成問題，制成了固體電路塊—集成電路。從此，集成電路迅速從小規(guī)模發(fā)展到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，集成電路的分類方法很多，按領(lǐng)域可分為：通用集成電路和專用集成電路；按電路功能可分為：數(shù)字集成電路、模擬集成電路和數(shù)模混合集成電路；按器件結(jié)構(gòu)可分為：MOS集成電路、雙極型集成電路和BiIMOS集成電路；按集成電路集成度可分為：小規(guī)模集成電路SSI、中規(guī)模集成電路MSI、大規(guī)模集成電路LSI、超導(dǎo)規(guī)模集成電路VLSI、特大規(guī)模集成電路ULSI和巨大規(guī)模集成電路CSI。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成電路(IC)，集成電路是微電子學(xué)的研究對象，其正在向著高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的方向發(fā)展。

1.4走進(jìn)人們生活的微電子

IC卡，是現(xiàn)代微電子技術(shù)的結(jié)晶，是硬件與軟件技術(shù)的高度結(jié)合。存儲IC卡也稱記憶IC卡，它包括有存儲器等微電路芯片而具有數(shù)據(jù)記憶存儲功能。在智能IC卡中必須包括微處理器，它實際上具有微電腦功能，不但具有暫時或永久存儲、讀取、處理數(shù)據(jù)的能力，而且還具備其他邏輯處理能力，還具有一定的對外界環(huán)境響應(yīng)、識別和判斷處理能力。IC卡在人們工作生活中無處不在，廣泛應(yīng)用于金融、商貿(mào)、保健、安全、通信及管理等多種方面，例如：移動電話卡，付費電視卡，公交卡，地鐵卡，電子錢包，識別卡，健康卡，門禁控制卡以及購物卡等等。IC卡幾乎可以替代所有類型的支付工具。隨著IC技術(shù)的成熟，IC卡的芯片已由最初的存儲卡發(fā)展到邏輯加密卡裝有微控制器的各種智能卡。它們的存儲量也愈來愈大，運算功能越來越強，保密性也愈來愈高。在一張卡上賦予身份識別，資料(如電話號碼、主要數(shù)據(jù)、密碼等)存儲，現(xiàn)金支付等功能已非難事，“手持一卡走遍天下”將會成為現(xiàn)實。

2.微電子技術(shù)發(fā)展的新領(lǐng)域

微電子技術(shù)是電子科學(xué)與技術(shù)的二級學(xué)科。電子信息科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)代最活躍，滲透力最強的高新技術(shù)。由于集成電路對各個產(chǎn)業(yè)的強烈滲透，使得微電子出現(xiàn)了一些新領(lǐng)域。

2.1微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS(Micro-Electro-Mechanicalsystems)微機(jī)電系統(tǒng)主要由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理電路和控制電路、通信接口和電源等部件組成，主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分，它融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)、微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。是在現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。當(dāng)前，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要由三種：一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)械制造小機(jī)械，再利用小機(jī)械制造微機(jī)械的方法，可以用于加工一些在特殊場合應(yīng)用的微機(jī)械裝置，如微型機(jī)器人，微型手術(shù)臺等。第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件，它與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成，而且適合于批量生產(chǎn)，已成為目前MEMS的主流技術(shù)，第三種是以德國為代表的LIGA(即光刻，電鑄如塑造)技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑造形成深層微結(jié)構(gòu)的方法，人們已利用該技術(shù)開發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達(dá)、微加速度計、微射流計等。MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在信息技術(shù)，航空航天，科學(xué)儀器和醫(yī)療方面將起到分別采用機(jī)械和電子技術(shù)所不能實現(xiàn)的作用。

2.2生物芯片

生物芯片(Biochip)將微電子技術(shù)與生物科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以生物科學(xué)基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞功能，在固體芯片表面構(gòu)建微分析單元，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞及其他生物組分的正確、快速的檢測。目前已有DNA基因檢測芯片問世。如Santford和Affymetrize公司制作的DNA芯片包含有600余種DNA基本片段。其制作方法是在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維，不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基本片段。采用施加電場等措施可使一些特殊物質(zhì)反映出某些基因的特性從而達(dá)到檢測基因的目的。以DNA芯片為代表的生物工程芯片將微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合，采用微電子加工技術(shù)，在指甲大小的硅片上制作包含多達(dá)20萬種DNA基本片段的芯片。DNA芯片可在極短的時間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化，對遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。生物工程芯片是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的一個熱點并且具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3納米電子技術(shù)

在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，利用超晶格量子阱材料的特性研制出了新一代電子器件，如：高電子遷移晶體管(HEMT)，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，低閾值電流量子激光器等。在半導(dǎo)體超薄層中，主要的量子效應(yīng)有尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)和干涉效應(yīng)。這三種效應(yīng)，已在研制新器件時得到不同程度的應(yīng)用。(1)在FET中，采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用電子的量子限定效應(yīng)，可使施主雜質(zhì)與電子空間分離，從而消除了雜質(zhì)散射，獲得高電子遷移率，這種晶體管，在低場下有高跨度，工作頻率，進(jìn)入毫米波，有極好的噪聲特性。(2)利用諧振隧道效應(yīng)制成諧振隧道二極管和晶體管。用于邏輯集成電路，不僅可以減小所需晶體管數(shù)目，還有利于實現(xiàn)低功耗和高速化。(3)制成新型光探測器。在量子阱內(nèi)，電子可形成多個能級，利用能級間躍遷，可制成紅外線探測器。利用量子線、量子點結(jié)構(gòu)作激光器的有源區(qū)，比量子阱激光器更加優(yōu)越。在量子遂道中，當(dāng)電子通過隧道結(jié)時，隧道勢壘兩側(cè)的電位差發(fā)生變化，如果勢壘的靜電能量的變化比熱能還大，那么就能對下一個電子隧道結(jié)起阻礙作用。基于這一原理，可制作放大器件，振蕩器件或存儲器件。量子微結(jié)構(gòu)大體分為微細(xì)加工和晶體生長兩大類。

篇（2）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0153-02

目前，集成電路設(shè)計公司在招聘新版圖設(shè)計員工時，都希望找到已經(jīng)具備一定工作經(jīng)驗的，并且熟悉本行業(yè)規(guī)范的設(shè)計師。但是，IC設(shè)計這個行業(yè)圈并不大，招聘人才難覓，不得不從其他同行業(yè)挖人才或通過獵頭公司。企業(yè)不得不付出很高的薪資，設(shè)計師才會考慮跳槽，于是一些企業(yè)將招聘新員工目標(biāo)轉(zhuǎn)向了應(yīng)屆畢業(yè)生或在校生，以提供較低薪酬聘用員工或?qū)嵙?xí)方式來培養(yǎng)適合本公司的版圖師。一些具備版圖設(shè)計知識的即將畢業(yè)學(xué)生就進(jìn)入了IC設(shè)計行業(yè)。但是，企業(yè)通常在招聘時或是畢業(yè)生進(jìn)入企業(yè)一段時間后發(fā)現(xiàn)，即使是懂點版圖知識的新員工，電路和工藝的知識差強人意，再就是行業(yè)術(shù)語與設(shè)計軟件使用不夠熟練、甚至不懂。這就要求我們在版圖教學(xué)時滲入電路與工藝等知識，使學(xué)生明確其中緊密關(guān)聯(lián)關(guān)系，樹立電路、工藝以及設(shè)計軟件為版圖設(shè)計服務(wù)的理念。

一、企業(yè)對IC版圖設(shè)計的要求分析

集成電路設(shè)計公司在招聘版圖設(shè)計員工時，除了對員工的個人素質(zhì)和英語的應(yīng)用能力等要求之外，大部分是考查專業(yè)應(yīng)用的能力。一般都會對新員工做以下要求：熟悉半導(dǎo)體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝；熟悉集成電路（數(shù)字、模擬）設(shè)計，了解電路原理，設(shè)計關(guān)鍵點；熟悉Foundry廠提供的工藝參數(shù)、設(shè)計規(guī)則；掌握主流版圖設(shè)計和版圖驗證相關(guān)EDA工具；完成手工版圖設(shè)計和工藝驗證[1，2]。另外，公司希望合格的版圖設(shè)計人員除了懂得IC設(shè)計、版圖設(shè)計方面的專業(yè)知識，還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關(guān)知識[3]。正因為其需要掌握的知識面廣，而國內(nèi)學(xué)校開設(shè)這方面專業(yè)比較晚，IC版圖設(shè)計工程師的人才缺口更為巨大，所以擁有一定工作經(jīng)驗的設(shè)計工程師，就成為各設(shè)計公司和獵頭公司爭相角逐的人才[4，5]。

二、針對企業(yè)要求的版圖設(shè)計教學(xué)規(guī)劃

1.數(shù)字版圖設(shè)計。數(shù)字集成電路版圖設(shè)計是由自動布局布線工具結(jié)合版圖驗證工具實現(xiàn)的。自動布局布線工具加載準(zhǔn)備好的由verilog程序經(jīng)過DC綜合后的網(wǎng)表文件與Foundry提供的數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫文件和I/O的庫文件，它包括物理庫、時序庫、時序約束文件。在數(shù)字版圖設(shè)計時，一是熟練使用自動布局布線工具如Encounter、Astro等，鑒于很少有學(xué)校開設(shè)這門課程，可以推薦學(xué)生自學(xué)或是參加專業(yè)培訓(xùn)。二是數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫的設(shè)計，可以由Foundry廠提供，也可由公司自定制標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫，因此對于初學(xué)者而言設(shè)計好標(biāo)準(zhǔn)單元版圖使其符合行業(yè)規(guī)范至關(guān)重要。

2.模擬版圖設(shè)計。在模擬集成電路設(shè)計中，無論是CMOS還是雙極型電路，主要目標(biāo)并不是芯片的尺寸，而是優(yōu)化電路的性能，匹配精度、速度和各種功能方面的問題。作為版圖設(shè)計者，更關(guān)心的是電路的性能，了解電壓和電流以及它們之間的相互關(guān)系，應(yīng)當(dāng)知道為什么差分對需要匹配，應(yīng)當(dāng)知道有關(guān)信號流、降低寄生參數(shù)、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎(chǔ)上去優(yōu)化尺寸的，面積在某種程度上說仍然是一個問題，但不再是壓倒一切的問題。在模擬電路版圖設(shè)計中，性能比尺寸更重要。另外，模擬集成電路版圖設(shè)計師作為前端電路設(shè)計師的助手，經(jīng)常需要與前端工程師交流，看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導(dǎo)線是否有大電流流過等，這就要求版圖設(shè)計師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。

3.逆向版圖設(shè)計。集成電路逆向設(shè)計其實就是芯片反向設(shè)計。它是通過對芯片內(nèi)部電路的提取與分析、整理，實現(xiàn)對芯片技術(shù)原理、設(shè)計思路、工藝制造、結(jié)構(gòu)機(jī)制等方面的深入洞悉。因此，對工藝了解的要求更高。反向設(shè)計流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗證、電路調(diào)整、版圖提取整理、版圖繪制驗證及后仿真等。設(shè)計公司對反向版圖設(shè)計的要求較高，版圖設(shè)計工作還涵蓋了電路提取與整理，這就要求版圖設(shè)計師不僅要深入了解工藝流程；而且還要熟悉模擬電路和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元電路工作原理。

三、教學(xué)實現(xiàn)

1.數(shù)字版圖。數(shù)字集成電路版圖在教學(xué)時，一是掌握自動布局布線工具的使用，還需要對UNIX或LINUX系統(tǒng)熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是數(shù)字邏輯單元版圖的設(shè)計，目前數(shù)字集成電路設(shè)計大都采用CMOS工藝，因此，必須深入學(xué)習(xí)CMOS工藝流程。在教學(xué)時，可以做個形象的PPT，空間立體感要強，使學(xué)生更容易理解CMOS工藝的層次、空間感。邏輯單元版圖具體教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)采用上機(jī)操作并配備投影儀，教師一邊講解電路和繪制版圖，一邊講解軟件的操作、設(shè)計規(guī)則、畫版圖步驟、注意事項，學(xué)生跟著一步一步緊隨教師演示學(xué)習(xí)如何畫版圖，同時教師可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)速度，適時停下來檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，若有錯加以糾正。這樣，教師一個單元版圖講解完畢，學(xué)生亦完成一個單元版圖。亦步亦趨、步步跟隨，學(xué)生的注意力更容易集中，掌握速度更快。課堂講解完成后，安排學(xué)生實驗以鞏固所學(xué)。邏輯單元版圖教學(xué)內(nèi)容安排應(yīng)當(dāng)采用目前常用的單元，并具有代表性、擴(kuò)展性，使學(xué)生可以舉一反三，擴(kuò)展到整個單元庫。具體單元內(nèi)容安排如反相器、與非門/或非門、選擇器、異或門/同或門、D觸發(fā)器與SRAM等。在教授時一定要注意符合行業(yè)規(guī)范，比如單元的高度、寬度的確定要符合自動布局布線的要求；單元版圖一定要最小化，如異或門與觸發(fā)器等常使用傳輸門實現(xiàn)，繪制版圖時注意晶體管源漏區(qū)的合并；大尺寸晶體管的串并聯(lián)安排合理等。

2.模擬版圖。模擬集成電路版圖設(shè)計更注重電路的性能實現(xiàn)，經(jīng)常需要與前端電路設(shè)計工程師交流。因此，版圖教學(xué)時教師須要求學(xué)生掌握模擬集成電路的基本原理，學(xué)生能識CMOS模擬電路，與前端電路工程師交流無障礙。同時也要求學(xué)生掌握工藝對模擬版圖的影響，熟練運用模擬版圖的晶體管匹配、保護(hù)環(huán)、Dummy晶體管等關(guān)鍵技術(shù)。在教學(xué)方法上，依然采用數(shù)字集成電路版圖的教學(xué)過程，實現(xiàn)教與學(xué)的同步。在內(nèi)容安排上，一是以運算放大器為例，深入講解差分對管、電流鏡、電容的匹配機(jī)理，版圖匹配時結(jié)構(gòu)采用一維還是二維，具體是如何布局的，以及保護(hù)環(huán)與dummy管版圖繪制技術(shù)。二是以帶隙基準(zhǔn)電壓源為例，深入講解N阱CMOS工藝下雙極晶體管PNP與電阻匹配的版圖繪制技術(shù)。在教學(xué)時需注意晶體管與電阻并聯(lián)拆分的合理性、電阻與電容的類型與計算方法以及布線的規(guī)范性。

3.逆向版圖設(shè)計。逆向集成電路版圖設(shè)計需要學(xué)生掌握數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的命名規(guī)范、所有標(biāo)準(zhǔn)單元電路結(jié)構(gòu)、常用模擬電路的結(jié)構(gòu)以及芯片的工藝，要求學(xué)生熟悉模擬和數(shù)字集成單元電路。這樣才可以在逆向提取電路與版圖時，做到準(zhǔn)確無誤。教學(xué)方法同樣還是采用數(shù)字集成電路版圖教學(xué)流程，達(dá)到學(xué)以致用。教學(xué)內(nèi)容當(dāng)以一個既含數(shù)字電路又含模擬電路的芯片為例。為了提取數(shù)字單元電路，需講解foundry提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫里的單元電路與命名規(guī)范。在提取單元電路教學(xué)時，說明數(shù)字電路需要歸并同類圖形，例如與非門、或非門、觸發(fā)器等，同樣的圖形不要分析多次。強調(diào)學(xué)生注意電路的共性、版圖布局與布線的規(guī)律性，做到熟能生巧。模擬電路的提取與版圖繪制教學(xué)要求學(xué)生掌握模擬集成電路常用電路結(jié)構(gòu)與工作原理，因為逆向設(shè)計軟件提出的元器件符號應(yīng)該按照易于理解的電路整理，使其他人員也能看出你提取電路的功能，做到準(zhǔn)確通用規(guī)范性。

集成電路版圖設(shè)計教學(xué)應(yīng)面向企業(yè)，按照企業(yè)對設(shè)計工程師的要求來安排教學(xué)，做到教學(xué)與實踐的緊密結(jié)合。從教學(xué)開始就向?qū)W生灌輸IC行業(yè)知識，定位準(zhǔn)確，學(xué)生明確自己應(yīng)該掌握哪些相關(guān)知識。本文從集成電路數(shù)字版圖、模擬版圖和逆向設(shè)計版圖這三個方面就如何開展教學(xué)可以滿足企業(yè)對版圖工程師的要求展開探討，安排教學(xué)有針對性。在教學(xué)方法與內(nèi)容上做了分析探討，力求讓學(xué)生在畢業(yè)后可以順利進(jìn)入IC行業(yè)做出努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜霞，余菲，趙杰.面向職業(yè)崗位構(gòu)建高職微電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式[J].職業(yè)技術(shù)教育，2010，31（14）：5-8.

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[3]鞠家欣，鮑嘉明，楊兵.探索微電子專業(yè)實踐教學(xué)新方法-以“集成電路版圖設(shè)計”課程為例[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（3）：280-282.

篇（3）

【基金項目】大連海事大學(xué)教改項目：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程人才培養(yǎng)實踐教學(xué)改革（項目編號：2016Z03）；大連海事大學(xué)教改項目：面向2017級培養(yǎng)方案的《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系研究與設(shè)計（項目編號：2016Y21）。

【中圖分類號】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》的意義

目前，高速發(fā)展的集成電路技術(shù)產(chǎn)業(yè)使集成電路設(shè)計人才成為最搶手的人才，掌握微電子技術(shù)是IC設(shè)計人才的重要基本技能之一。本文希望通過對《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系的研究與設(shè)計，能夠提高學(xué)生對集成電路制作工藝的認(rèn)識，提高從事微電子行業(yè)的興趣，拓寬知識面和就業(yè)渠道，從而培養(yǎng)更多的微電子發(fā)展的綜合人才，促進(jìn)我國微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平的提高。

2.目前學(xué)科存在的問題

目前電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的集成電路方向開設(shè)的課程已有低頻電子線路、數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計、單片機(jī)原理、集成電路設(shè)計原理等。雖然課程開設(shè)種類較多，但課程體系不夠完善。由于現(xiàn)在學(xué)科重心在電路設(shè)計上，缺少對于器件的微觀結(jié)構(gòu)、材料特性講解[1]，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中不能夠完全理解。比如MOS管，雖然學(xué)生們學(xué)過其基本特性，但在實踐中發(fā)現(xiàn)他們對N溝道和P溝道的工作原理知之甚少。

近來學(xué)校正在進(jìn)行本科學(xué)生培養(yǎng)的綜合改革，在制定集成電路方向課程體系時，課題組成員對部分學(xué)校的相關(guān)專業(yè)展開調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)大部分擁有電子信息類專業(yè)的高校都開設(shè)了微電子課程。譬如華中科技大學(xué)設(shè)置了固體電子學(xué)基礎(chǔ)、微電子器件與IC設(shè)計、微電子工藝學(xué)以及電子材料物理等課程。[2]又如電子科技大學(xué)設(shè)置了固體物理、微電子技術(shù)學(xué)科前沿、半導(dǎo)體光電器件以及高級微電子技術(shù)等課程。[3]因此學(xué)科課題組決定在面向2017級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程培養(yǎng)方案中，集成電路設(shè)計方向在原有的《集成電路設(shè)計原理》、《集成電路設(shè)計應(yīng)用》基礎(chǔ)上，新增設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程。本課程希望學(xué)生通過掌握微電子技術(shù)的原理、工藝和設(shè)計方法，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計和工程開發(fā)打下基礎(chǔ)。

3.微電子課程設(shè)置

出于對整體課程體系的考慮，微電子課程總學(xué)時為32學(xué)時。課程呈現(xiàn)了微電子技術(shù)的基本概論、半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)、集成電路的制造工藝及封裝測試等內(nèi)容。[4]如表1所示，為課程的教學(xué)大綱。

微電子技術(shù)的基本概論是本課程的入門。通過第一章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對本課程有初步的認(rèn)識。

構(gòu)成集成電路的核心是半導(dǎo)體器件，理解半導(dǎo)體器件的基本原理是理解集成電路特性的重要基礎(chǔ)。為此，第二章重點介紹當(dāng)代集成電路中的主要半導(dǎo)體器件，包括PN結(jié)、雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）等器件的工作原理與特性。要求學(xué)生掌握基本的微電子器件設(shè)計創(chuàng)新方法，具備分析微電子器件性能和利用半導(dǎo)體物理學(xué)等基本原理解決問題的能力。

第三章介紹硅平面工藝的基本原理、工藝方法，同時簡要介紹微電子技術(shù)不斷發(fā)展對工藝技術(shù)提出的新要求。內(nèi)容部分以集成電路發(fā)展的順序展開，向?qū)W生展示各種技術(shù)的優(yōu)點和局限，以此來培養(yǎng)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

第四章圍繞芯片單片制造工藝以外的技術(shù)展開，涵蓋著工藝集成技術(shù)、封裝與測試以及集成電路工藝設(shè)計流程，使學(xué)生對微電子工藝的全貌有所了解。

4.教學(xué)模式

目前大部分高校的微電子課程仍沿用傳統(tǒng)落后的教學(xué)模式，即以教師灌輸理論知識，學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主。這種模式在一定程度上限制了學(xué)生主動思考和自覺實踐的能力，降低學(xué)習(xí)興趣，與本課程授課的初衷相違背。[5]為避免上述問題，本文從以下幾個方面闡述了《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)模式。

教學(xué)內(nèi)容：本課程理論知識點多數(shù)都難以理解且枯燥乏味，僅靠書本教學(xué)學(xué)生會十分吃力。因此，我們制作多媒體課件來輔助教學(xué)，將知識點采用動畫的形式來展現(xiàn)。例如可通過動畫了解PN結(jié)內(nèi)電子的運動情況、PN結(jié)的摻雜工藝以及其制造技術(shù)。同時課件中補充了工藝集成與分裝測試這部分內(nèi)容，加強課堂學(xué)習(xí)與實際生產(chǎn)、科研的聯(lián)系，便于學(xué)生掌握集成電路工藝設(shè)計流程。

教學(xué)形式：課內(nèi)理論教學(xué)+課外拓展。

1）課內(nèi)教學(xué)：理論講解仍需教師向?qū)W生講述基本原理，但是在理解運用方面采用啟發(fā)式教學(xué)，課堂上增加教師提問并提供學(xué)生上臺演示的機(jī)會，達(dá)到師生互動的目的。依托學(xué)校BBS平臺，初步建立課程的教學(xué)課件講義、課后習(xí)題及思考題和課外拓展資料的體系，以方便學(xué)生進(jìn)行課后的鞏固與深度學(xué)習(xí)。此外，利用微信或QQ群，在線上定期進(jìn)行答疑，并反饋課堂學(xué)習(xí)的效果，利于老師不斷調(diào)整教學(xué)方法和課程進(jìn)度。還可充分利用微信公眾號，譬如在課前預(yù)習(xí)指南，幫助學(xué)生做好課堂準(zhǔn)備工作。

2）課外拓展：本課程目標(biāo)是培養(yǎng)具有電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)科理論基礎(chǔ)，且有能力將理論付諸實踐的高素質(zhì)人才。平時學(xué)生很難直接觀察到半導(dǎo)體器件、集成電路的模型及它們的封裝制造流程，因此課題組計劃在課余時間組織同學(xué)參觀實驗室或當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)企業(yè)，使教學(xué)過程更為直觀，加深學(xué)生對制造工藝的理解。此外，教師需要充分利用現(xiàn)有的資源（譬如與課程有關(guān)的科研項目），鼓勵學(xué)生參與和探究。

考核方式：一般來說，傳統(tǒng)的微電子課程考核強調(diào)教學(xué)結(jié)果的評價，而本課程組希望考核結(jié)果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教學(xué)進(jìn)度中的考核。課題組決定采用期末筆試考核與平時課堂表現(xiàn)相結(jié)合的方式，期末筆試成績由學(xué)生在期末考試中所得的卷面成績按照一定比例折合而成，平時成績考評方式有隨堂小測、課后習(xí)題、小組作業(yè)等。這幾種方式將考核過程融入教學(xué)，能有效地協(xié)助老師對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)狀況以及學(xué)習(xí)能力做出準(zhǔn)確評定。

篇（4）

Abstract: In this article, the principles of the comb digital filter are described, the basic structure of comb digital filter is then be analyzed. A simple design method for CIC DF is also presented. To reduce using space of the chip. The system is described with the analysis and illumination in detail.Basis on that, the system model is also established by MATLAB system Tool. In RTL-level, Verilog coding of CIC DF is made. At the same time, the simulation and of the whole circuit are accomplished through the software of Modelsim.

Key words: digital decimation filter;integrator;differentiator;moving average;comb filte

∑ΔADC在目前大多數(shù)混合系統(tǒng)中占有非常重要的地位。∑ΔADC由兩個主要的部件構(gòu)成:一個模擬∑Δ modulator(調(diào)制器)和一個數(shù)字抽取濾波器(digital decimation filter)。數(shù)字抽取濾波器的主要作用是濾除可能引起混迭的帶外噪聲,其次,它能夠?qū)⑶凹壵{(diào)制器過采樣的高速率數(shù)據(jù)降低至Nyquist頻率,同時提高數(shù)據(jù)的分辨率(字長)。這一過程就是抽取(decimation)。所謂梳狀濾波器(comb filter),該名稱來自于其幅頻響應(yīng)的特點,對于一個長度N=24的梳狀濾波器系統(tǒng)的抽樣頻率fs=48KHz,那么其幅頻響應(yīng)過零點將是2KHz及其整數(shù)倍的諧波,如圖1所示。

這對于去除工頻以及諧波的干擾是非常有利的。選用梳狀濾波器還有其他的好處,它不需要乘法器,而且所有的系數(shù)都是1,不需要存儲單元來存放系數(shù),另外,對于不同長度的梳狀濾波器,由于其結(jié)構(gòu)規(guī)整,易于調(diào)協(xié),也是比較容易由同一個梳狀濾波器來轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。

本文所涉及的梳狀濾波器的設(shè)計,可應(yīng)用于電力測量領(lǐng)域∑ΔADC中,其工作在中速條件下,滿足高精度低功耗的要求。本濾波器的設(shè)計主要從精度和功耗的角度出發(fā)。此外,一種新的硬件實現(xiàn)形式在這里提出來,有效的減小了芯片的面積。文章先對梳狀濾波器的工作原理進(jìn)行了推導(dǎo),詳細(xì)的分析系統(tǒng)幅頻特性,在此基礎(chǔ)上,對于有效減小芯片面積的硬件實現(xiàn)方法給予了詳細(xì)說明,最后對系統(tǒng)的功能特性進(jìn)行了驗證與仿真。

1梳狀濾波器模型的建立

一個長度為N的一階梳狀濾波器的沖激響應(yīng)和傳遞函數(shù)如下:

h(n)=10≤n≤N-10其他

H(z)=■Z■=■

在時域內(nèi)對應(yīng)的基本表達(dá)式為:

y(n)=x(n)+x(n -1)+......x(n -N +1)

這個FIR(有限沖激響應(yīng))系統(tǒng)的信號流圖如圖2所示。

其中Z-1表示單位延時。顯然,其輸出為前N項之和(每一項的系數(shù)都是1),最終實現(xiàn)了滑動平均(MA)的功能,所以又稱為滑動平均濾波器。滑動平均濾波器的幅頻響應(yīng)的包絡(luò)為sin(x)/x,也被稱為sinc函數(shù)濾波器。

簡單的一階梳狀濾波器主要由三個功能單元組成:積分器,抽取器和微分器。系統(tǒng)連接關(guān)系及響應(yīng)如圖3。

下面對各個部分給以簡要說明:

a)積分器

時域傳輸函數(shù):

y(n)=y(n-1)+x(n)

對應(yīng)的Z變換:

Y(z)=z-1Y(z)+X(z)

得到積分器Z域的傳遞函數(shù):

H(z)=■ =■

數(shù)字積分電路實際上就是累加器,用來累加和存儲輸入數(shù)據(jù)。可以表示為:

b)抽取器

抽取器的作用是每隔N個采樣,把積分器的輸出傳送給微分單元進(jìn)行相應(yīng)的運算,簡單的實現(xiàn)方法是用分頻時鐘來控制采集(每隔N個輸入數(shù)據(jù)的采樣)數(shù)據(jù),然后放入相應(yīng)存儲單元中,需要注意的是抽取器的時鐘與積分單元和微分單元時鐘的配合問題。

c)微分器

時域傳輸函數(shù):

y(n)=x(n)-x(n -1)

對應(yīng)的Z變換:

Y(z)=X(z)-Z -1X(z)

得到微分器Z域的傳遞函數(shù):

H(z)=■ =1-z -1

數(shù)字微分器的輸出是當(dāng)前輸入與上一次輸入之差。系統(tǒng)模型如圖7。

數(shù)字微分器要做減法運算,這一過程可以通過簡單把輸入信號通過反相器,然后再做加法運算來實現(xiàn)。

d)把抽取部分和微分部分結(jié)合起來,可得到梳狀頻譜。由圖9可以看出,梳狀響應(yīng)可以很好的起到陷波作用,但是同時也影響到了基帶內(nèi)的信號,所以前級的積分器是不可或缺的。

值得注意的是一階梳狀濾波器結(jié)構(gòu)簡單,但是噪聲抑制能力有限,可以采用多級(multi-stage)級聯(lián)結(jié)構(gòu)來獲得理想的性能。級聯(lián)梳狀濾波器sinc3傳遞函數(shù)為:

H(z)=■h■Z■=■Z■■

其中M是濾波器的階數(shù)(order),N代表抽取因子,hi是系統(tǒng)的沖激響應(yīng)。在時域?qū)⑵湔归_為輸出遞歸方程(N=8):

y(n)=x(n)+3x(n -1)+6x(n -2)+10x(n -3)+15x(n -4)+21x(n -5)+28x(n -6)+36x(n -7)+42x(n -8)+46x(n -9)+48x(n -10)+48x(n -11)+46x(n -12)+42x(n -13)+36x(n -14)+28x(n -15)+21x(n -16)+15x(n -17)+10x(n -18)+6x(n -19)+3x(n -20)+x(n -21)

由表達(dá)式可以看出,有限沖激響應(yīng)的抽樣響應(yīng)(hi)滿足對稱性,該濾波器具有線性相位[1]。

基于以上討論,很容易得到級聯(lián)濾波器的結(jié)構(gòu),即級聯(lián)積分梳狀數(shù)字濾波器(CIC DF)。

圖10中的加法符號對應(yīng)一個加法器電路。可見,加法器是整個系統(tǒng)的主要運算單元,而且對于這種直接串聯(lián)的形式,每一級都包含有執(zhí)行相同功能的加法器單元,結(jié)果是增加了功耗,造成芯片面積的浪費。一種有效的做法是整個硬件電路只用一個加法電路單元,當(dāng)數(shù)據(jù)在不同級(stage)之間流動時,由外部信號控制調(diào)用加法器,完成本級積分或微分運算。這種高硬件利用率的方法,顯然不會影響電路功能的執(zhí)行,而且減小了芯片的面積。

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2硬件實現(xiàn)方法

基于以上的思想,為梳狀濾波器的提供了一種新的實現(xiàn)方式。可以將梳狀濾波器硬件分成以下幾個部分:

1, 加法器:sinc函數(shù)運算的主體。

2, 存儲單元組:用于存放中間值和輸出值。

3, 鐘控電路:控制存儲單元存儲數(shù)據(jù)。

4, 選控電路:選擇存儲單元組中的數(shù)據(jù)送入加法單元。

調(diào)制器輸出的數(shù)據(jù)(通常為0或1的量化序列)在被濾波器系統(tǒng)采集前,通常要進(jìn)行編碼預(yù)處理,把0或1轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制補碼形式,目的是為了有效的防止數(shù)據(jù)溢出[2]。可以采用專用的編碼擴(kuò)展電路來實現(xiàn),也可以把變換鑲嵌在運算主體部分實現(xiàn),以有效縮減面積,此外這種做法減少了工作在高頻部分的器件數(shù)量,減少了系統(tǒng)的功耗。

由圖11 可以看出,數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部主要是在加法單元和存儲單元之間進(jìn)行傳輸流動的,只要設(shè)置合適的控制信號(這些控制信號相當(dāng)于連接sinc函數(shù)不同級(stage)的路由開關(guān)),再配合合適的CP來控制存儲器(一般由D觸發(fā)器實現(xiàn))存儲相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù),這樣就提高了加法器的利用率。

在積分階段,數(shù)據(jù)被采樣進(jìn)入integrator,首先,開關(guān)ch1,ch2(ch2控制著reg1, reg1中存放著上一次積分運算的值,因為要進(jìn)行累加運算) 閉合,數(shù)據(jù)進(jìn)入加法器完成一次積分(stage 1)運算,此時,開關(guān)cp1閉合,把結(jié)果存入reg1。完成一次積分運算后,開關(guān)ch1打開,ch2和ch3同時閉合,reg1和reg2中的數(shù)據(jù)同時送入加法器完成二次積分(stage2)運算,此時,開關(guān)cp2閉合,新的結(jié)果存入reg2中。三次積分(stage3)的運算過程同上,開關(guān)ch3,ch4閉合把存儲值送入加法器,cp3閉合,積分結(jié)果放入reg3。至此,完成了三次積分(sinc3)操作,最后輸出y(n)。圖中的chx開關(guān)由選控電路實現(xiàn),cpx開關(guān)由鐘控電路實現(xiàn)。可以看出,chx和cpx時序的配合是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。選控和鐘控時序如下所示(chx低電平有效,cpx時鐘上升沿有效):

抽取功能的實現(xiàn)是把積分部分的結(jié)果存儲在帶有時鐘控制的D觸發(fā)器中,這個控制時鐘的跳變頻率決定著抽取率。

對于微分器的執(zhí)行,可以采取與積分器相同的方式。具體的做法是由存儲單元送出的值經(jīng)過一次反相之后才傳送給加法器。需要注意的是,微分器的時鐘是積分器時鐘頻率的1/N(積分器結(jié)果要經(jīng)過1/N抽取后才送入微分器進(jìn)行運算)。

3系統(tǒng)驗證與仿真

驗證三級級聯(lián)積分梳狀濾波器系統(tǒng)響應(yīng)的“等效”模型(matlab)如圖16所示:

系統(tǒng)的幅頻響應(yīng):

系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo):

通帶截止頻率:1050Hz

阻帶截止頻率:1.8E+5Hz

信號在阻帶內(nèi)的衰減:>120dB

分別選取800Hz (位于通帶)和200kHz(位于阻帶) 的正弦信號加入輸入端 。

如圖19所示,從輸出端結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)完成了對阻帶內(nèi)高頻信號的濾除。

4電路描述與仿真

級聯(lián)濾波器的部分verilog 源碼:

A)積分運算部分:

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_1

else if(di == 1'b1)

integrator_1

else

integrator_1

end

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_2

else

integrator_2

end

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_3

else

integrator_3

end

B)微分運算部分:

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r1

else

dif_r1

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r2

else

dif_r2

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r3

else

dif_r3

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dm

else

dm

end

5總結(jié)

本文采用級聯(lián)抽取濾波的原理和方法實現(xiàn)了sinc函數(shù)數(shù)字抽取濾波器的設(shè)計,這是一種節(jié)省芯片面積的數(shù)字級聯(lián)積分梳狀抽取濾波器的實現(xiàn)方法。我們根據(jù)sinc傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)變形,把系統(tǒng)分成了積分,微分,及降頻三個部分,最終確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并在Matlab中搭建出系統(tǒng)的模型。在選用合適的電路結(jié)構(gòu)建級聯(lián)積分梳妝濾波器電路后,完成了仿真。整個硬件電路所占用的版圖面積可縮減到約0.336mm。電路工作在4MHz時鐘,5V電源電壓條件下的功耗為500μA。既達(dá)到了∑?ADC對于數(shù)據(jù)精度的要求,同時也縮減了芯片的面積,降低了系統(tǒng)的功耗。

參考文獻(xiàn)

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Wiley-IEEE,1998.

[4]Arthur B.Williams, Fred J.Taylor著:《電子濾波器設(shè)計》p420-p460, 北京,科學(xué)出版社,

2008.

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[8] A. V. Oppenheim and R. W. Schafer, Discretetime signal processing, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989.

作者簡介

宋強國,碩士研究生,研究方向:集成電路的設(shè)計與研究。

王瑩瑩,學(xué)士學(xué)位,研究方向:集成電路的設(shè)計與研究。

孟祥鶴,碩士研究生,研究方向:集成電路的設(shè)計與研究。

韓路,高級工程師,研究方向:集成電路的設(shè)計與研究。

呂楠,高級工程師,研究方向:集成電路的設(shè)計與研究。

吳春瑜,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事集成電路及半導(dǎo)體器件的教學(xué)與研究。

篇（5）

【關(guān)鍵詞】硅通孔技術(shù) 三維集成電路 設(shè)計原則

三維集成電路是指多層面構(gòu)建集成電路，可進(jìn)一步擴(kuò)展布局空間，減少線路相互之間的干擾，解決信號擁堵問題，擴(kuò)大頻寬，降低功耗，最終提高系統(tǒng)性能。3D封裝是三維集成電路關(guān)鍵技術(shù)，主要包括裸片堆疊封裝、疊層封裝與封裝內(nèi)堆疊三種具體實現(xiàn)形式，各有優(yōu)劣。貫穿硅通孔技術(shù)（TSV）是一種系統(tǒng)級架構(gòu)技術(shù)，可實現(xiàn)層級間裸片互聯(lián)，是目前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)方式之一。本次研究就基于硅通孔技術(shù)的三維集成電路基本設(shè)計進(jìn)行概述與分析。

1 TSV制備

TSV制備工藝據(jù)通孔制作工藝順序可分為先通孔與后通孔兩種，先通孔是指在制備IC時同時通孔，后者是指在制備IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工藝在CMOS或BEOL制備前應(yīng)用；（2）在元件設(shè)計階段即介入應(yīng)用；（3）需嚴(yán)格的CD控制；（4）通孔寬度為5-20μm；（5）深寬比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征為：（1）工藝在BEOL或TSV鍵合（Bonding）制備后應(yīng)用；（2）在設(shè)計階段后期介入；（3）CD控制較寬松；（4）通孔寬度20-50μm；（5）深寬比AR3：1-15：1。

通孔刻蝕技術(shù)是TSV技術(shù)的核心，強調(diào)通孔尺寸一致性，無殘渣，形成需達(dá)到一定速度，規(guī)格設(shè)計具有一定靈活性，目前僅有IBM及其部分代工廠掌握該核心技術(shù)。通孔刻蝕技術(shù)主要可分為博世工藝技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)，兩者各有優(yōu)劣。博士工藝孔徑大小、數(shù)目、深度無特殊要求，但孔徑側(cè)面較粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蝕僅適用于>10μm孔徑通孔，孔徑數(shù)目也受吞吐量影響，但通孔側(cè)壁表明光滑，耗材低，無需光刻。

通孔后，TSV需進(jìn)行填充，涉及通孔絕緣、淀積與電鍍多個工藝步驟，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充時需要考慮填充絕緣、沉積溫度等多個方面因素，一個細(xì)節(jié)的疏忽都可能影響通孔性能，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性與功效。目前，主要填充技術(shù)包括濺射沉積、均勻淀積，但考慮到成本因素，電鍍銅是目前應(yīng)用最廣泛的硅通孔填充方式。

最后為實現(xiàn)晶體TSV互聯(lián)，需應(yīng)用TSV鍵合技術(shù)，目前最常用的鍵合技術(shù)包括金屬-金屬鍵合、氧化物共熔鍵合與高分子黏結(jié)鍵合。三種鍵合技術(shù)各有優(yōu)劣，應(yīng)用均十分廣泛，但均只適用于滿足電學(xué)特性的光滑鍵合表面，不能進(jìn)行機(jī)械表面與電學(xué)特性表面鍵合，金屬-金屬鍵合有望打破這種限制。

2 反映TSV性能的參數(shù)及其意義

2.1 互聯(lián)延時

全局互聯(lián)普遍被認(rèn)為是集成系統(tǒng)性能提升的設(shè)計瓶頸，全局互聯(lián)產(chǎn)生的連線延時決定系統(tǒng)時鐘頻率與速度傳輸限，創(chuàng)造一種更有效的互聯(lián)策略已成為當(dāng)今電路設(shè)計中研究熱點。緩沖器插入式目前應(yīng)用最廣泛的一種縮短全局互聯(lián)延時的設(shè)計，使用靈活，有助于減少硅通孔數(shù)目與集成密度，進(jìn)而降低互聯(lián)延時效應(yīng)，提高系統(tǒng)性能，降低誤差。

2.2 互聯(lián)功耗

互聯(lián)功耗與系統(tǒng)電路規(guī)模與集成密度有關(guān)，目前，互聯(lián)電容已取代門電路成為片上功耗與動態(tài)功耗主導(dǎo)因素，插入緩沖器后功耗與全局互聯(lián)規(guī)模有關(guān)。應(yīng)用硅通孔三維互聯(lián)構(gòu)架，可減少互聯(lián)需要，但卻需要更多的緩沖器，增加片上功耗，在設(shè)計PSV時，需充分考慮PSV功耗。

3 TSV三維集成具體設(shè)計主要思路

3.1 阻抗特性差異

三維集成雖然可緩解不同材料、工藝差異所產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲，降低混合技術(shù)同化復(fù)雜度與電路模塊電磁干擾，最終降低成本，提高效效能，但與此同時，三維設(shè)計也增加了阻抗差異。阻抗差異后是源層互聯(lián)固有缺陷，應(yīng)用TSV技術(shù)互聯(lián)則增加了阻抗差異，進(jìn)一步放大了這種缺陷。因此將TSV應(yīng)用三維集成系統(tǒng)構(gòu)架中，需綜合考慮阻抗差異，盡力減少阻抗差異對互聯(lián)信號的影響，避免信號發(fā)生反射或失真。

3.2 熱管理與優(yōu)化

電路工作之中不可避免的發(fā)散熱量，熱效應(yīng)已成為影響集成電路功效、元件可靠性的重要因素之一。三維集成技術(shù)增加了芯片物理層數(shù)，頂端物理層與散熱片距離顯著增加；三維集成技術(shù)縮短了物理尺寸，芯片功耗密度顯著增加，熱效應(yīng)增加，芯片內(nèi)溫度上升，可能造成元件性能下降，電遷移失敗，甚至可能造成物理損毀。應(yīng)用TSV技術(shù)，可能影響整個芯片熱擴(kuò)散效果、途徑，因此在設(shè)計TSV系統(tǒng)構(gòu)架時，需對熱擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測，分析芯片內(nèi)外溫度分布，并提出熱優(yōu)化技術(shù)與策略，降低消熱阻。目前常采用的熱優(yōu)化技術(shù)策略為減薄襯底厚度，降低散熱片等效熱阻，熱驅(qū)動優(yōu)化，布局優(yōu)化，熱通孔插入，等。

4 碳納米管TSV設(shè)計

碳納米管具有優(yōu)良的電熱傳輸特性，平均自由程較長，耐高溫，是一種較理想的互聯(lián)材料，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ技{米管電流承載密度極限遠(yuǎn)高于銅，電子遷移穩(wěn)定，有助于克服承載不穩(wěn)定性TSV技術(shù)這一固有缺陷。碳納米管具有一維導(dǎo)體特性，熱特性較高，熱傳導(dǎo)率極高，可達(dá)到3000～8000W/m-K，將碳納米管應(yīng)用于TSV集成可極大的提高系統(tǒng)散熱能力。

5 小結(jié)

硅通孔技術(shù)是三維集成電路制造核心技術(shù)之一，其技術(shù)水平直接影響系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性。電路設(shè)計工作者，在應(yīng)用TSV技術(shù)過程中，應(yīng)盡量采用時下成熟的TSV制備技術(shù)，把握具體設(shè)計思路，從提升系統(tǒng)整體性能出發(fā)，提升設(shè)計水平。同時，應(yīng)具有創(chuàng)新、探索精神，積極嘗試引入新材料、技術(shù)與理念，大膽嘗試，開闊設(shè)計思路，以探索更優(yōu)的設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]王高峰，趙文生.三維集成電路中的關(guān)鍵技術(shù)問題綜述[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2014，34（2）：1-5.

作者簡介

篇（6）

中圖分類號：TN-9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）23-0170-02

一、引言

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登?摩爾（Gordon Moore）在搜集1959年至1965年集成電路上晶體管數(shù)量的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，于1965年4月提出的[1]。即當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。戈登?摩爾提出摩爾定律后的幾年內(nèi)，世界多數(shù)半導(dǎo)體公司按照這個定律制定了產(chǎn)品更新策略。1969年，摩爾和朋友建立英特爾公司并制定電子信息產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此后，英特爾公司生產(chǎn)的大量產(chǎn)品都驗證了摩爾定律的準(zhǔn)確性。直到目前，全球仍有多數(shù)知名半導(dǎo)體制造公司一直遵循摩爾定律進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，如英特爾、高通、AMD、ST等[2]。

摩爾定律核心是不斷增加的晶體管的數(shù)目，以及更強大的性能和更高的集成度，這也會帶來一系列問題，如設(shè)計者需要使用各種方法來解決高溫問題[3]。但這卻能促進(jìn)制作工藝的提升和集成電路中晶體管數(shù)目的增加。一方面，更強大的性能來源于更多晶體管數(shù)目；另一方面，制作工藝的更新也促進(jìn)性能的提升。很多制造集成電路的工藝被英特爾公司使用，比如180nm，90nm，65nm，45nm，32nm等，來也將有14nm和10nm[4]。其他半導(dǎo)體制造公司也有各自的制作工藝，如臺積電公司等。

基于以上問題和相關(guān)介紹，從1965年起，幾乎所有的半導(dǎo)體廠商都遵循了摩爾定律。每一次進(jìn)步都使得集成電路上能容納更多的晶體管，并且?guī)砀土膬r格。然而，在摩爾定律提出的40年以來，也出現(xiàn)了一些問題，一度讓人們懷疑摩爾定律是否會被終結(jié)[5-6]。但是摩爾定律一直發(fā)展到了今天，在未來幾年內(nèi)也會一直有效。

二、摩爾定律與晶體管數(shù)目

1.晶體管數(shù)目增加的影響。摩爾定律的經(jīng)典結(jié)論是，當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月增加一倍，性能也提升一倍。不斷增加的晶體管數(shù)量意味著更強大的性能，包括更多的功能和更快的運行速度。集成電路功能可以不斷提升。例如，原來的8051單片機(jī)沒有集成片上模數(shù)轉(zhuǎn)換，而現(xiàn)在的單片機(jī)如集成Cortex-M3內(nèi)核的STM32內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。這些模塊的增加給工程設(shè)計帶來很多便利，在印刷電路板上不再需要額外的集成電路，并且可以提高傳感器的精確度，在AMD的Tahiti XT中集成了4，312，711，873個三極管[7]。最近幾年，提出了一個新的概念――片上系統(tǒng)（Soc）。片上系統(tǒng)的集成電路可以擁有更強大的系統(tǒng)功能、更低廉的價格以及更低的耗電量和更小的供電電壓。同時，更多的晶體管意味著更快的運行速度。目前最大的個人CPU I7-3970X擁有22.7億個晶體管[8]，而上一代最大的個人CPU I7-990X擁有10.17億個晶體管[9]。目前最大個人電腦的核心部件如表1所示。

2.晶體管數(shù)目對溫度的影響。工程設(shè)計人員希望通過增加單位面積里晶體管的數(shù)量來提高性能，并希望通過更先進(jìn)的制造工藝來控制溫度。所以新型集成電路的溫度并不會比之前集成電路的低。如今，設(shè)計者也可以使用其他途徑來解決溫度問題。多數(shù)電腦使用風(fēng)扇或者水冷，甚至液氮來冷卻。為了更有效率地對集成電路進(jìn)行冷卻，冷卻技術(shù)需要不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高。現(xiàn)今集成電路冷卻業(yè)是一個大產(chǎn)業(yè)并且不斷發(fā)展，世界上有很多專注于此的公司。

三、摩爾定律與價格

當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月增加一倍，性能也將提升一倍。因為集成電路的價格主要來源于制作工藝提升的費用，更先進(jìn)的制作設(shè)備需要更先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和工廠來支持，而集成電路原料的價格可以忽略。英特爾公司在設(shè)計集成電路之外，也建立了先進(jìn)的工廠來保證制造工藝。建造工廠需要花費大量的物理與財力，所以需要通過增加產(chǎn)品的數(shù)量并增加工廠的工作年限來減少生產(chǎn)集成電路的平均費用。臺積電是一個非常著名的集成電路制造代工公司，它使用了另一種方法來減少生產(chǎn)集成電路的平均費用。NVDIA，AMD，Qualcomm以及一些其他的集成電路設(shè)計公司都是臺積電的客戶。通過幫助大量的集成電路設(shè)計公司生產(chǎn)集成電路，臺積電可以生產(chǎn)出大量的產(chǎn)品來提供建設(shè)廠房所需要的花費。第一臺計算機(jī)是為了計算炮彈彈道而生產(chǎn)的，所以擁有足夠的軍費支持。而工業(yè)中費用的問題不能忽視，所以集成電路變得越來越廉價，嵌入式系統(tǒng)也被運用在工業(yè)控制中。因為嵌入式系統(tǒng)低廉的價格，除了工業(yè)控制之外，其他很多領(lǐng)域也在使用單集成電路微處理器。例如智能家居、智能手機(jī)、無人飛機(jī)等等。在各個領(lǐng)域中廣泛運用的電子設(shè)備是使我們的生活能變得更智能更現(xiàn)代的原因之一。在摩爾提出摩爾定律的1965年，這些智能化生活都是不可想象的。

四、摩爾定律未來發(fā)展趨勢

1965年提出的摩爾定律對世界來說是一個重大事件。而現(xiàn)在，我們將怎樣評價它48年來對世界的影響？不管怎樣，摩爾定律巨大的影響是不可否認(rèn)的。在摩爾的眼里，摩爾定律所揭示的速度是不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去的[3]。一些文章認(rèn)為摩爾定律將會因為漏電流和高溫被終結(jié)[5]。一些其他的觀點則認(rèn)為導(dǎo)致摩爾定律終結(jié)的原因是制造商不能收回研發(fā)和建造工廠的巨大成本[6]。一個半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會出版的名為“未來技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖”的文件指出，10nm級的工藝是關(guān)鍵，因為以往的機(jī)械制作工藝將不能達(dá)到其制造的所需要求[6]。關(guān)于摩爾定律的繼續(xù)發(fā)展和未來影響，我們有以下看法。

第一，首先是制造工藝上的一些問題。依照目前的發(fā)展趨勢，有兩個方面的問題越來越明顯，就是關(guān)于漏電流和高溫。這些問題需要通過制造工藝的進(jìn)步來解決。摩爾曾經(jīng)指出漏電流將會限制摩爾定律發(fā)展，當(dāng)晶體管的尺寸不斷減小，漏電流的影響將使得功耗增大。如果設(shè)計者不斷減小晶體管的尺寸，電流將變得越來越大并燒毀晶體管。

得益于3D晶體管技術(shù)，這個由于漏電流產(chǎn)生的問題暫時得到了解決，集成電路還可以工作在更低的驅(qū)動電壓下。關(guān)于溫度，由于更先進(jìn)的制造工藝，在保持同樣晶體管數(shù)量和性能下，新型號的集成電路的溫度總會低于舊型號的集成電路。在奔騰4時代，英特爾不能很好地解決高溫的問題。但得益于多核技術(shù)，英特爾推出了名為酷睿的產(chǎn)品來解決這個問題。現(xiàn)在，很多移動平臺集成電路供應(yīng)商都使用多核技術(shù)來解決高溫的問題。同時，為了控制功耗在100W以下，一個叫ARM的著名集成電路公司推出了一個名為big.little的新異構(gòu)計算解決方案，這個架構(gòu)將功耗高、性能強的處理器，與功耗低、性能弱的處理器封裝在一起。并希望借此能提高處理器的效率，產(chǎn)生能達(dá)到高性能但功耗低的處理器。

各種新出現(xiàn)的技術(shù)問題將導(dǎo)致發(fā)展放緩。首先在于集成電路的制造方面，比如當(dāng)集成電路達(dá)到10nm數(shù)量級時，光學(xué)加工手段將會取代機(jī)械加工手段。英特爾使用疝燈產(chǎn)生的遠(yuǎn)紫外線來雕刻集成電路，IBM使用X光，這將可能解決工藝尺寸的問題，比如制造14nm尺寸的芯片。如果新的制造手段將被發(fā)現(xiàn)，將繼續(xù)提高集成電路性能。再看看其他方面的限制，比如耗電問題。目前芯片性能的進(jìn)步很快，但同時也會增加耗電量。這些都可能是集成電路發(fā)展的一個不可逾越的瓶頸，導(dǎo)致摩爾定律不再適用，電子信息產(chǎn)業(yè)不再迅速發(fā)展。

而對于工藝的更新速度，可以參考英特爾的策略，根據(jù)英特爾提出的“Tick-Tock”戰(zhàn)略，在接下來的一年，將會有7nm和5nm制作工藝的集成電路推出。當(dāng)“Tick”年來到，集成電路的制程將會更新；而“Tock”年到來時，集成電路的微處理器架構(gòu)將會更新[9]。

第二，財務(wù)因素是每個公司發(fā)展的決定性因素。一些專家認(rèn)為公司無法負(fù)擔(dān)起建設(shè)新廠房所需要的大量資金。新的集成電路所帶來的利潤不足以讓公司支付這些費用并盈利，集成電路的更新速度將會放緩。目前，英特爾正在以色列建設(shè)10nm生產(chǎn)工藝的工廠。在電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，硬件能力的增長跟不上軟件需求發(fā)展的速度（軟件設(shè)計總是需要更高性能的硬件），所以對硬件的性能提升有很大的需求，每次硬件的增長都被快速地應(yīng)用在軟件上。而現(xiàn)在軟件的復(fù)雜性增長已經(jīng)趨于平緩，而不是繼續(xù)高速復(fù)雜化。比如新一代的Windows 8操作系統(tǒng)對硬件的要求甚至低于老一代操作系統(tǒng)Windows 7[8]。一直致力于提高芯片性能的英特爾也推出了功耗更低和超低電壓CPU，由英特爾極力推廣的超極本逐漸成為了未來筆記本的發(fā)展方向。另一方面因為大多數(shù)用戶并不需要如此強勁的性能，而更加看重用戶體驗，加上購買高性能處理器的花費太高，導(dǎo)致技術(shù)進(jìn)步的速度受到限制。比如只有少部分中國人使用昂貴的I7處理器。如果不能有效地控制成本，并且沒有大量的市場需求，集成電路性能提高的速度將大大放緩。

第三，全新的制造材料將改變集成電路的發(fā)展方向。在晶體管發(fā)明以前，沒有人能預(yù)料到今天電子信息產(chǎn)業(yè)的繁榮。也許我們能使用新的材料或者技術(shù)來改變現(xiàn)狀。我們可以考慮使用其他的半導(dǎo)體元素代替硅元素制作晶體管，比如元素周期表上第三和第五族的元素。利用它們不同的屬性，提高芯片的性能。但這可能僅僅是權(quán)宜之計，因為它們可能也會遇到與硅元素相同的問題。石墨烯也是一個很有希望的晶體管材料。但是它也有很多問題，比如沒有足夠的帶隙，人們對它的了解也不足夠充分。這些材料和技術(shù)目前都處于探索之中，未來也許也會有新技術(shù)出現(xiàn)，并帶來革命性的改變。如果將來的某個發(fā)明，改變了集成電路性能提升的方式，或者產(chǎn)生了新的計算機(jī)技術(shù)，取代了現(xiàn)有的集成電路工作原理，那么摩爾定律可能將不再適用。

五、結(jié)論

由本文的研究分析可以得出，目前集成電路的發(fā)展還會遵循摩爾定律，并伴隨電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。而若干年以后，集成電路和電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將會放緩。此外，集成電路性能提升的方式也可能會發(fā)生改變。

目前，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展飛速，如同大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)一樣，由剛剛興起時的發(fā)展困難到隨后的一個高速發(fā)展時期，然后又逐漸趨向平穩(wěn)。在電子信息產(chǎn)業(yè)中，這種現(xiàn)象可能出現(xiàn)在五年后，也可能在十年或者二十年以后。但這一天一定會到來，沒有人可以打破這個基本的自然規(guī)律。在未來幾年內(nèi)，摩爾定律還將適用，電子信息產(chǎn)業(yè)仍將快速蓬勃發(fā)展。在未來的某天，摩爾定律將失去它的價值，電子信息產(chǎn)業(yè)也將會以其他的形式和方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[7]Mike Mantor. White Paper|AMD GRAPHICS CORES NEXT （GCN） ARCHITECTURE[EB].http：///cn/Documents/GCN_Architecture_whitepaper.pdf，August，28，2012.

篇（7）

《微電子封裝與測試》課程是微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時又涉及到高度交叉的諸多技術(shù)領(lǐng)域，包括電子、機(jī)械、材料、化工和物理等專業(yè)技術(shù)，是理論與實踐并重的技術(shù)基礎(chǔ)課程。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子封裝越來越受到人們的重視。國內(nèi)的微電子封裝技術(shù)教育已經(jīng)得到國家及相關(guān)部委的重視，國家教委設(shè)置了“微電子制造工程”目錄外專業(yè)，國防科工委設(shè)置了“電子封裝技術(shù)”目錄外緊缺專業(yè)。許多高校的材料學(xué)、材料加工、機(jī)械制造方面的研究也逐漸向電子封裝的材料、工藝和裝備轉(zhuǎn)移，陸續(xù)創(chuàng)辦了許多獨立的電子封裝技術(shù)或微電子制造專業(yè)。

 

湖北大學(xué)于2006年申請增設(shè)“微電子學(xué)”專業(yè)，專業(yè)掛靠物理學(xué)與電子科學(xué)學(xué)院，2007年開始招生，每年招收規(guī)模70人。從2007年起已經(jīng)有4個班級近三百名學(xué)生從該專業(yè)畢業(yè)，并大都從事與專業(yè)相關(guān)的工作崗位。作為新開設(shè)專業(yè)，如何立足學(xué)校的辦學(xué)定位，服務(wù)于國家和地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，都對新開微電子專業(yè)本科教育提出了更大的挑戰(zhàn)，也帶來了難得的機(jī)遇，同時對微電子課程體系建設(shè)和專業(yè)特色課程教學(xué)內(nèi)容的選取都提出了較高要求。筆者根據(jù)對已畢業(yè)學(xué)生的走訪反饋和四年間的教學(xué)實踐活動，結(jié)合在湖北大學(xué)微電子專業(yè)方向的《微電子封裝與測試》課程教學(xué)工作，以及在課程建設(shè)中的一些心得體會，以《微電子封裝與測試》這一專業(yè)特色課程為例，就如何開展微電子專業(yè)的專業(yè)課程教學(xué)進(jìn)行探討。

 

一、強化專業(yè)特色，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

 

不同高校不同專業(yè)對電子封裝課程教學(xué)內(nèi)容偏重點有所不同，“985”和“211”高校重在培養(yǎng)研究型人才，偏重于傳授理論知識。湖北大學(xué)在微電子專業(yè)中開設(shè)了《微電子封裝與測試》課程，和其他高校重在培養(yǎng)研究型人才而偏重于傳授理論知識不同，為了能夠使畢業(yè)生有較好的就業(yè)前景，湖北大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)定位于培養(yǎng)滿足微電子材料與器件制造等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)需求的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。因此，更希望課堂上學(xué)生能夠在接受本專業(yè)知識外，同時擴(kuò)大知識范圍。

 

《微電子封裝與測試》課程是一門學(xué)時數(shù)為54學(xué)時的專業(yè)必修課，根據(jù)教學(xué)培養(yǎng)計劃，《微電子封裝與測試》課程開設(shè)在大三下學(xué)期，在此之前，學(xué)生以學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課為主。為了緊盯培養(yǎng)目標(biāo)，突出學(xué)科重點，我們設(shè)計優(yōu)選的《微電子封裝與測試》理論課程體系總體分為七個部分：①電子制造概述，介紹電子制造整個過程以及微電子封裝在其中所處的階段，包括微電子封裝的意義、功能及發(fā)展趨勢;②封裝材料，包括高分子封裝材料、陶瓷封裝材料、焊接材料、引線框架材料等;③封裝工藝過程，包括芯片貼裝、芯片互連、引線鍵合等;④封裝設(shè)計，包括電設(shè)計和熱控制設(shè)計;⑤先進(jìn)封裝技術(shù)，主要包括BGA技術(shù)、CSP技術(shù)、WLP技術(shù)及MCM技術(shù)等;⑥可靠性設(shè)計及封裝測試;⑦封裝技術(shù)展望。我們在授課中盡量刪除繁瑣的理論推導(dǎo)，如焊點過程中的受力過程理論分析、鍵合過程中熱量的分布等，對部分過時的技術(shù)知識也做了相應(yīng)的調(diào)整，主要是以必需和夠用為度。另外，還增加一些熱門專題，如光電子、LED封裝、液晶顯示等的封裝知識及國際國內(nèi)相關(guān)法律法規(guī)等，并通過PPT及相關(guān)視頻展示，進(jìn)一步開拓學(xué)生對新興先進(jìn)的封裝知識的了解。

 

二、結(jié)合科研實踐，開設(shè)創(chuàng)新實驗

 

湖北大學(xué)物理學(xué)與電子科學(xué)學(xué)院以前的儀器設(shè)備配套以物理、電工電子、功能材料制備、集成電路器件與工藝等實驗室為主。為了結(jié)合已有的實驗條件和目前的科研基礎(chǔ)，增強微電子專業(yè)的實踐教學(xué)條件，我們正在開展以下相關(guān)工作：

 

1.在原有EDA實驗室的基礎(chǔ)上擴(kuò)建專業(yè)集成電路設(shè)計實驗室，建立集成電路設(shè)計EDA實驗與驗證平臺，主要用于集成電路設(shè)計的仿真和正確性的驗證，包括超大規(guī)模可編程邏輯器件EDA設(shè)計與驗證實驗、硬件制作實驗。我院已有20套EDA驗證板，并已開設(shè)多個專業(yè)設(shè)計實驗。隨著新專業(yè)的成立和學(xué)生人數(shù)的增加，計劃增加30套FPGA(或CPLD器件)驗證板，并增加示波器、任意型號發(fā)生器等輔助工具。

 

2.集中建立集成電路工藝與微加工技術(shù)平臺。湖北大學(xué)“鐵電壓電材料與器件”省重點實驗室及“材料物理與化學(xué)”省重點學(xué)科現(xiàn)有離子刻蝕、真空鍍膜、光刻、退火等分散工藝。擬增設(shè)擴(kuò)散等基本工藝，集中建立半導(dǎo)體工藝實驗室，讓學(xué)生能夠?qū)嵺`掌握并研究發(fā)展集成電路與微加工工藝的整個流程。

 

3.爭取能與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，聯(lián)合辦學(xué)，直接培養(yǎng)企業(yè)需要的高層次專業(yè)人才。為企業(yè)服務(wù)，并為企業(yè)提供科研支撐。

 

同時，實踐教學(xué)模式也將進(jìn)行調(diào)整。改目前的一課一師為一課多師，實行一崗多師的團(tuán)隊教學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生為主體和教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。課時安排采用分組教學(xué)(3～5人/組)、組間大循環(huán)、組內(nèi)小循環(huán)的輪崗實訓(xùn)制。

 

三、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，注重實踐、實(見)習(xí)基地建設(shè)

 

實踐才是工科專業(yè)教育的根本已成為國際高等工程教育界的共識。美、日等國工科專業(yè)的實踐教學(xué)時數(shù)已占總學(xué)時的35～40%。近年來隨著新的教學(xué)計劃的修訂，我國實驗和實訓(xùn)等環(huán)節(jié)在整個教學(xué)計劃中的比重明顯增大。實踐教學(xué)是《微電子封裝與測試》課程的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新和實踐能力的、符合社會需求、高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型工程技術(shù)人才，伴隨著2007年 “微電子學(xué)”專業(yè)的組建，我們加強了實(見)習(xí)和實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)，將原有EDA實驗室、“鐵電壓電材料與器件”省重點實驗室、高性能計算實驗室等進(jìn)行了改建和擴(kuò)建。同時，聯(lián)合校外企事業(yè)單位，如蘇州固緯電子有限公司、東莞呈威電子有限公司、天津港東科技發(fā)展有限公司以及江蘇綠揚電子儀器集團(tuán)有限公司等，建立了具有本校特色的校內(nèi)外微電子封裝與測試生產(chǎn)實(見)習(xí)基地，通過參觀相關(guān)企事業(yè)增強學(xué)生對生產(chǎn)過程的初步直觀認(rèn)知。同時，采取與企業(yè)實際生產(chǎn)接軌的流水線式實習(xí)安排，讓每個同學(xué)負(fù)責(zé)生產(chǎn)制造過程中某一項工序，并定期進(jìn)行輪換工作，適時地對學(xué)生進(jìn)行安裝、組裝、貼裝和封裝等具體工藝的實訓(xùn)，而這些實訓(xùn)內(nèi)容是微電子封裝課程和“微電子學(xué)”專業(yè)的必備技能。通過這些實訓(xùn)和實習(xí)，進(jìn)一步增強學(xué)生對封裝工藝的感性認(rèn)識和體驗。

 

實(見)習(xí)等基地建設(shè)是實現(xiàn)加強實踐教學(xué)，提高實踐教學(xué)質(zhì)量水平，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合研究的基本保證。其目的是為學(xué)生創(chuàng)造更多機(jī)會進(jìn)入實踐基地學(xué)習(xí)鍛煉，進(jìn)一步加強實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時實現(xiàn)資源共享，提高設(shè)備的利用率。加強現(xiàn)有實踐基地的建設(shè)，同時開辟新的實踐基地，不僅有利于產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合研究的發(fā)展，而且有利于實踐教學(xué)基地的長效運轉(zhuǎn)。湖北省以光電子產(chǎn)業(yè)、數(shù)字化3C(計算機(jī)、通信、消費電子)產(chǎn)業(yè)、專用集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)、新型元器件及新材料產(chǎn)業(yè)為發(fā)展重點。武漢市東湖開發(fā)區(qū)內(nèi)武漢中原電子有限公司、武漢富士康、武漢新芯電子有限公司與我校有著良好的合作傳統(tǒng)，并且已經(jīng)接納了部分微電子專業(yè)方向的學(xué)生就業(yè)。隨著以上產(chǎn)業(yè)在武漢市的進(jìn)一步發(fā)展和相關(guān)國際大公司在武漢的設(shè)廠，我們將進(jìn)一步拓展相關(guān)的實踐、實(見)習(xí)基地，為微電子專業(yè)方向的學(xué)生創(chuàng)造更多進(jìn)入實踐基地學(xué)習(xí)鍛煉的機(jī)會。

 

四、考核方式的改革

 

《微電子封裝與測試》課程評價的根本目的是為了讓學(xué)生掌握目前主要的封裝工藝以及相關(guān)評價封裝效果性能優(yōu)劣的參數(shù)。課程評價應(yīng)準(zhǔn)確反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)狀況，全面落實課程目標(biāo)。目前，我們采用的考核方式包括態(tài)度紀(jì)律考核標(biāo)準(zhǔn)和單元實踐考核標(biāo)準(zhǔn)。態(tài)度紀(jì)律考核標(biāo)準(zhǔn)是以考勤、作業(yè)、參與實踐的積極性等方面作為平時成績，而單元實踐考核標(biāo)準(zhǔn)是以課后作業(yè)作為單元實踐考核標(biāo)準(zhǔn)，兩者構(gòu)成了課程的平時成績。以平時成績占40%，期末考試成績占 60%，最終得到學(xué)生《微電子封裝與測試》課程的評定成績。這種考察方式存在檢查手段單一，不能客觀公正地反應(yīng)學(xué)生的實習(xí)技能和所掌握的知識。由于單元實踐考核存在不同程度的互相抄襲現(xiàn)象，考試較難反映出學(xué)生的動手能力。所以，我們將根據(jù)不同學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)特點，按照不同結(jié)構(gòu)的課程目標(biāo)和能力訓(xùn)練，抓住關(guān)鍵，突出重點，采用合適方式，提高評價效率，具體內(nèi)容如下：

 

1.恰當(dāng)運用多種評價方式。學(xué)習(xí)過程中的評價關(guān)注學(xué)習(xí)過程，有利于及時揭示問題、及時反饋、及時改進(jìn)教與學(xué)活動。最終評價關(guān)注學(xué)習(xí)結(jié)果，有利于對教學(xué)活動作出總結(jié)性的結(jié)論。學(xué)習(xí)過程中的評價和最終評價都是必要的，應(yīng)加強學(xué)習(xí)過程中的評價，注意收集反映學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展的資料。

 

2.注重評價主體的多元與互動。應(yīng)注意將教師的評價、學(xué)生的自我評價及學(xué)生之間的相互評價相結(jié)合，加強學(xué)生的自我評價和相互評價，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，自我反思。評價要理解和尊重學(xué)生的自我評價與相互評價。根據(jù)課程的需要，將來可讓從事微電子封裝行業(yè)的專業(yè)人員等適當(dāng)參與評價活動，爭取讓學(xué)生獲得來自企業(yè)一線的準(zhǔn)確評價。

 

湖北大學(xué)“微電子學(xué)”專業(yè)在2007年開始首屆招生以來，教學(xué)計劃已經(jīng)進(jìn)行了兩次較大修訂，最大變化是物理、電子類課時減少，技術(shù)基礎(chǔ)課時增加，實驗門數(shù)和學(xué)時大幅度增加。優(yōu)化后的課程體系對學(xué)生能力培養(yǎng)與社會需求更加接近，主要體現(xiàn)厚基礎(chǔ)、增后勁、適應(yīng)社會需求強等特點。而《微電子封裝與測試》課程作為“微電子學(xué)”專業(yè)的主干課程，其重要性更是得到了專業(yè)教師的普遍認(rèn)可。

 

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【中圖分類號】 TN707 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B【文章編號】 1671-1297（2012）09-0201-02

一 調(diào)試的目的

調(diào)試的目的主要有兩個方面，一發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷和安裝的錯誤，并改進(jìn)與糾正，或提出改進(jìn)意見；通過調(diào)整電路參數(shù)，避免因元器件參數(shù)或裝配工藝不一致，而造成電路性能的 不一致或功能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計要求的情況發(fā)生，確保產(chǎn)品的各項功能和性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

二 調(diào)試要點

電子產(chǎn)品是由眾多的元器件組成的，由于各元器件性能參數(shù)具有很大的離散性（允許誤差），電路設(shè)計的近似性，再加上生產(chǎn)過程中其他隨時因素（如存在分布參數(shù)等）的影響，使得裝配完的產(chǎn)品在性能方面有較大的差異，通常達(dá)不到設(shè)計規(guī)定的功能和性能指標(biāo)，這就是整機(jī)裝配完畢后必須進(jìn)行調(diào)試（測試與調(diào)整）的原因。

三 調(diào)試技術(shù)方法

調(diào)試技術(shù)包括調(diào)整和測試（檢驗）兩部分內(nèi)容。調(diào)整：主要是對電路參數(shù)的調(diào)整。一般是對電路中可調(diào)元器件，如可調(diào)電阻、可調(diào)電容、可調(diào)電感等以及機(jī)械部分進(jìn)行調(diào)整，使電路達(dá)到預(yù)定的功能和性能要求；測試：主要是對電路的各項技術(shù)指標(biāo)和功能進(jìn)行測試和試驗，并同設(shè)計的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，以確定電路是否合格。它是電路調(diào)整的依據(jù)，又是檢驗結(jié)論的判斷依據(jù)。實際上，電子產(chǎn)品的調(diào)整和測試是同時進(jìn)行的，要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整和測試，產(chǎn)品的性能才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

調(diào)試的過程分為通電前的檢查（調(diào)試準(zhǔn)備）和通電調(diào)試兩大階段。對于較復(fù)雜的產(chǎn)品，還可進(jìn)一步分為單元部件（單板）調(diào)試和整機(jī)調(diào)試兩大階段。

通電前的檢查（調(diào)試準(zhǔn)備）。在電路板安裝完畢進(jìn)行測試前，必須在不通電的情況下，對電路板進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查，以便發(fā)現(xiàn)和糾正比較明顯的安裝錯誤，避免盲目通電可能造成的電路損壞。重點檢查的項目有：電源的正、負(fù)極是否接反，有、無短路現(xiàn)象，電源線、地線是否接觸可靠。（可以萬用表進(jìn)行檢查）；元器件的型號（參數(shù)）是否有誤、引腳之間有、無短路現(xiàn)象。有極性的元器件，如二極管、晶體管、電解電容、集成電路等的極性或方向是否正確；連接導(dǎo)線有無接錯、漏接、短線等現(xiàn)象；電路板各焊接點有無漏焊、橋接短路等現(xiàn)象；用萬用表的歐姆擋，測量電源的正、負(fù)極之間的正、反向電阻值，以判斷是否存在嚴(yán)重的短路現(xiàn)象。

通電調(diào)試，通電調(diào)試包括測試和調(diào)整兩個方面。測試的目的是了解電路實際工作狀態(tài)，獲得電路各項主要性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)，提供調(diào)整電路的依據(jù)。調(diào)整的目的是：使電路性能達(dá)到設(shè)計要求。較復(fù)雜的電路調(diào)試通常采用先分塊調(diào)試，然后進(jìn)行總調(diào)試。通電調(diào)試一般包括通電觀察、靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試。通電觀察。將符合要求的電源正確地接入被測電路，觀察有無異常現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)電路冒煙、有異常氣味以及元器件發(fā)燙等現(xiàn)象，應(yīng)立即切斷電源，檢查電路。排除故障后，方可重新接通電源進(jìn)行測試；靜態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試是指在不加輸入信號（或輸入信號為零）的情況下，進(jìn)行電路直流工作狀態(tài)的測量和調(diào)整。模擬電路的靜態(tài)測試就是測量電路的靜態(tài)直流工作點；數(shù)字電路的靜態(tài)測試就是輸入端設(shè)置成符合要求的高（或低）電平，測量電路各點的電位值及邏輯關(guān)系等。通過靜態(tài)測試，可以及時發(fā)現(xiàn)一損壞的元器件，判斷電路工作情況并及時調(diào)整電路參數(shù)，使電路工作狀態(tài)符合設(shè)計要求；動態(tài)調(diào)試。動態(tài)調(diào)試就是在電路的輸入端接入適當(dāng)頻率和幅度的信號，循者信號的流向逐級檢測電路個測點的信號波形和有關(guān)參數(shù)，并通過計算測量的結(jié)果來估算電路性能指標(biāo)，必要時進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使指標(biāo)達(dá)到要求。若發(fā)現(xiàn)工作不正常，應(yīng)先排除故障，然后再進(jìn)行動態(tài)測試和調(diào)整。

動態(tài)調(diào)整必須在靜態(tài)調(diào)試合格的情況下進(jìn)行；整機(jī)調(diào)試。整機(jī)調(diào)試是在單元部件調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。各單元部件的綜合測試合格后，裝配成整機(jī)或系統(tǒng)。整機(jī)調(diào)試的過程包括：外觀檢查、結(jié)構(gòu)調(diào)試、通電堅持、電源調(diào)試、整機(jī)統(tǒng)調(diào)、整機(jī)技術(shù)指標(biāo)綜合測試及例行試驗等。

四 整機(jī)調(diào)試過程中的故障分析

電子產(chǎn)品調(diào)試過程中，經(jīng)常會遇到調(diào)試失敗的情況，甚至可能出現(xiàn)一些致命故障，如通電后，燒熔斷絲、冒煙、打火、漏電等。造成電路無法正常工作。故電子線路故障的分析與處理也是電子產(chǎn)品調(diào)試工作中經(jīng)常會遇到的問題，通過對所遇到的實際問題的分析與處理，可培養(yǎng)我們獨立分析問題和解決問題的能力。

調(diào)試過程中所遇到的故障有其自身的特點：由于故障機(jī)是新裝配的整機(jī)產(chǎn)品，或沒有使用過，或是還不成熟的新產(chǎn)品樣機(jī)等原因，故障以焊接和裝配故障為主；一般都是機(jī)內(nèi)故障，基本上不會出現(xiàn)幾外及使用不當(dāng)造成的人為故障，更不會有元器件老化故障。對于新產(chǎn)品樣機(jī)，則可能存在特有的設(shè)計缺陷或元器件參數(shù)不合理的故障。故障的出現(xiàn)有一定的規(guī)律性，找出故障出現(xiàn)的規(guī)律，便能有效、快捷地檢找和排除故障。

一般來說故障的原因主要有以下幾種，焊接故障：如漏焊、虛焊、錯焊、橋接等；裝配故障：機(jī)械安裝位置不當(dāng)、錯位、卡死等；電氣連接錯誤：如集成塊裝反、二極管、晶體管的電極裝錯，其它有極性的元件（如電解電容）極性裝反；元器件位置錯誤；漏裝等；元器件失效：如集成電路損壞、晶體管擊穿或元器件參數(shù)達(dá)不到要求；電路設(shè)計不當(dāng)或元器件參數(shù)不合理造成的故障，這是樣機(jī)特有的故障。這類故障查找出原因后，采用臨時應(yīng)急措施使產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)達(dá)到要求，并將結(jié)果寫成樣機(jī)調(diào)試報告，供設(shè)計生產(chǎn)部門參考。

五 整機(jī)調(diào)試過程中的故障處理的步驟

故障處理的步驟是先查找、分析出故障的原因，判斷故障發(fā)生的部位，然后排除故障，最后對修復(fù)的整機(jī)的各項功能和性能進(jìn)行全面檢驗。

故障處理一般可分為四步：觀察，首先對被檢查電路表面狀況進(jìn)行直接觀察，從而發(fā)現(xiàn)問題，找出故障點。直接觀察可在不通電和通電兩種情況下進(jìn)行。對于新安裝的電路，首先要在不通電的情況下，認(rèn)真檢查電路是否有元件用錯、元件引腳接錯、元器件損壞、掉線、斷線，有沒有接觸不良等現(xiàn)象。對于不能正常工作的電路，應(yīng)在不通電的情況下觀察被檢修電路的表面，可能會發(fā)現(xiàn)變壓器、電阻燒焦，晶體管斷極，電容漏油，元器件脫焊，插件接觸不良等。

參考文獻(xiàn)

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[2] 楊頌華主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).西安電子科技大學(xué)出版，1997年

[3] 劉華東主編.單片機(jī)原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2003年

篇（9）

1 引言

近50年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻能量正在從世界各地數(shù)十億的無線電發(fā)射器中發(fā)射而出，這些發(fā)射器包括移動電話、移動電話基站和電視/電臺信號發(fā)射基站等。因此，利用射頻能量來為一些低功耗電路供電已經(jīng)成為一種趨勢。圖1給出了頻率分布的范圍，由此可見，射頻能量中有很大一部分是可以被收集的。

利用這些能量為設(shè)備供電能夠降低設(shè)備對電池的需求，同時可以使擁有電池的設(shè)備充電去延長電池的使用時間，也可延長一次性電池的使用壽命；無電池的設(shè)備可以設(shè)計成一種得到能量就能運行或有足夠的充電累積就會運行的結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)的優(yōu)點在于其能夠利用例如基站和手機(jī)等無線發(fā)射器產(chǎn)生的“免費”能量，射頻能量發(fā)射器將會隨著用戶的增加而持續(xù)增加，特別是寬帶移動用戶的增加，已經(jīng)接近10億。移動電話作為射頻能量的發(fā)射源的主體，將有可能為各種近距離傳感器應(yīng)用提供能量。在一些城市中，人們已經(jīng)可以從一個位置檢測出很多WIFI發(fā)射器發(fā)射出來的射頻信號了。在近距離情況下，比如室內(nèi)無線局域網(wǎng)絡(luò)，人們可以很容易的從一個路由器獲取100mW的功率。當(dāng)然，對于遠(yuǎn)距離的射頻能量信號，則需要使用擁有更寬頻帶的裝置去收集。

為了試驗射頻能量收集的可行性，需要在不同的位置對可用的射頻能量進(jìn)行測試。在結(jié)合收集器性能方面知識的情況下，可以確定射頻能量收集裝置部署的地點。然而缺乏對能量水平和特定時間、位置等因素的認(rèn)識限制了射頻能量收集開發(fā)的應(yīng)用范圍。

在低輸入射頻功率轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步的情況下，已經(jīng)有少數(shù)針對射頻能量收集的報道。例如：一種比較有效的硅整流二極管天線，利用的是改進(jìn)的全貼片天線，在射頻輸入功率為-20dBm時的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18%。在東京做過的一個試驗是從一個頻率為845MHz的移動電話基站收集射頻能量，在收集能量長達(dá)65小時以后，這些能量能夠使液晶溫度計工作4分鐘 。

在20世紀(jì)90年代后期，射頻能量發(fā)射設(shè)備的增加和低功耗消費類電子產(chǎn)品的使用為射頻能量收集的研究提供了基礎(chǔ)。在前期的工作中，Hagery等人提出了一種寬帶整流天線陣列，試圖收集頻率范圍在2-18GHz的射頻能量。Powercast公司在2005年做過一個試驗：在1.5英里外，用了一個小功率（5kW AM）的無線電發(fā)射站作為基站來獲取射頻能量。然而，這些系統(tǒng)并未發(fā)展到實際應(yīng)用。

2 基本原理

射頻能量信號是通過天線接收的，所以天線的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同，射頻信號通過天線接收后既可以用在RF-DC轉(zhuǎn)換器上又可以用在單純的RF應(yīng)用上；RF-DC轉(zhuǎn)換器將RF信號轉(zhuǎn)換為DC信號，從而可以將獲取的能量存儲在能量儲存裝置中；能量儲存裝置可以給RF-DC轉(zhuǎn)換器、RF裝置、低功耗應(yīng)用提供能量。射頻能量收集系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2.1 天線

圖3為天線示意圖。發(fā)射信號的天線有很多種，如手機(jī)基站、電視信號發(fā)射塔和WIFI路由器等；接收信號的天線則屬于射頻能量收集器的一部分，通過它接收外界的射頻信號來進(jìn)行后續(xù)工作。

在任何移動設(shè)備中天線的設(shè)計都是相當(dāng)重要的。平面貼片天線是一種形狀適宜、重量輕、易于操作的天線。然而，其本身卻也不那么小。

一種減小天線尺寸的方法是在高介電常數(shù)的材料上制備貼片天線（這里使用的是Rogers RO6010，εr=10.2，d=2.54mm）。圖4是測量的是頻率為2.45 GHz天線的增益。一般來說，單個的天線不能收集到足夠的能量去驅(qū)動一個器件，多天線結(jié)構(gòu)可以獲取一個更大范圍的射頻能量。

2.1.1 電視信號

如圖5所示為Digital-TV能量收集裝置原理圖，該裝置在不使用任何電池的情況下從6.3千米以外的廣播電視塔收集射頻信號能量，利用這些能量能夠使一個輸入電壓為1.8V的單片機(jī)進(jìn)行工作。在東京和亞特蘭大，使用型號為NARDA SRM-300的測試儀對50-900MHz范圍內(nèi)的無線頻譜進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖6所示：Digital-TV頻率范圍較廣且信號強度較強，因此對其信號能量進(jìn)行收集相對來說較為容易。

VYAS R J等人設(shè)計了一種嵌入式傳感器平臺，這種結(jié)構(gòu)收集數(shù)字電視射頻信號能量，將所收集到的能量存儲在一個100uf的MLCC里，在不使用任何電池的情況下，利用這些收集到的能量能夠為一個型號PIC24F、輸入電壓1.8V、16位的單片機(jī)供電并維持其正常工作。該能量收集器的功率可達(dá)到-18.86dBm。

2.1.2 WIFI信號

美國俄亥俄州立大學(xué)的OLGUN U等人針對無線傳感器等無線設(shè)備的應(yīng)用需要，設(shè)計了一種新型射頻能量收集裝置，通過對頻率為2.45 GHz的 WiFi信號能量進(jìn)行為時20分鐘的收集轉(zhuǎn)換，可以輸出最大值為20μA的電流，這能使帶有LCD顯示裝置的室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測器持續(xù)工作10分鐘。這次試驗測量了在辦公室中三個正交方向和幾個點的WIFI信號。圖7為使用這種測量方法對WIFI信號強度進(jìn)行為時2分鐘測量的信號強度圖，可以看出利用這種方法能夠收集到相當(dāng)大量的射頻能量。

表1總結(jié)了能量收集裝置最終的測量結(jié)果，可以看出該裝置可以像電池那樣對負(fù)載提供電壓。最終的結(jié)果顯示，即使當(dāng)接收的能量低到-40dBm時還是能產(chǎn)生直流電壓。所以，即使在能量非常小的時候它也是可以運行的。

2.1.3 GSM信號

由于移動電話的數(shù)量眾多且大多數(shù)時間是在白天使用的，因此在白天所收集到的射頻能量會比夜間要多。為了能夠在不同位置之間進(jìn)行公平的比較，在2012年4月4日到2012年5月5日期間，每個工作日的上午十點到下午三點進(jìn)行了測量，測量頻率為0.3-2.5GHz，使用的儀器為安捷倫N9912A、BICOLOG20300全方位天線。如圖8所示是在北倫敦地鐵外測量的射頻功率密度分布圖，從圖中能夠很清楚地分辨出DTV、GSM900、GSM1800、3G和WIFI信號的帶寬。

一個設(shè)計良好的天線應(yīng)該能夠具有獲取整個頻帶能量的功能，這對于計算整個頻帶的能量是非常重要的。輸入射頻功率密度是在結(jié)合了所有頻譜后計算出來的。2013年，Teck Beng Lim等人在新加坡南洋理工大學(xué)對GSM900和GSM1800這兩種信號的能量密度進(jìn)行了測量。測量過程中使用的是Rohde&Schwarz FSV信號分析儀、頻率為900MHz和1800MHz的伸縮天線。從圖9中可以很清楚的看到六個峰值點是要收集的能量，這些峰值的帶寬通常都很窄；圖10中給出的是GSM1800的能量密度：可以看到，GSM1800的帶寬更寬，這看起來更有利于能量的收集，但GSM1800的峰值要比GSM900低很多。

2.2 RF-DC轉(zhuǎn)換電路

RF-DC轉(zhuǎn)換電路是能量收集器的核心部分，主要功能是將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流信號。電路主要由阻抗匹配、整流器和電源管理三部分組成。

通常來說用單個硅整流天線二極管為設(shè)備提供能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，使用多個相互連接的天線可以提供足夠的能量。如圖11（a）所示，一種結(jié)構(gòu)是在整流器前并聯(lián)多個天線，匯總RF信號再進(jìn)行整流。在點對點的射頻系統(tǒng)中（窄基帶），這種結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)移是最有效的；如圖11（b）所示，另一種結(jié)構(gòu)則是每個天線對應(yīng)一個整流器，先進(jìn)行整流再匯總直流信號，對于大型硅整流二極管天線和射頻能量收集（消除隨機(jī)偏振的影響），這種結(jié)構(gòu)是最合適的。

如圖12為射頻整流電路工作原理圖，射頻信號負(fù)向流入時（a）：當(dāng)VN-1 > Vd+ VRF時，M2N-1管開啟，這時由于VKVN時，M2N管開啟，充電電流IN從電容CH（N）流入電容CV（N），在這個過程的最后階段，電容CV（V-1）里面的電荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到電容CV（N）中。

電源管理部分示意圖如圖13所示，當(dāng)M管關(guān)閉時，電流順時針流過電感并產(chǎn)生一個磁場，電感左側(cè)為正極；當(dāng)M管開啟時，由于阻抗較高，電流將因此減小。為保持負(fù)載有持續(xù)的電流流過，先前產(chǎn)生的磁場的磁極將會逆轉(zhuǎn)（現(xiàn)在電感左側(cè)為負(fù)極），這樣就變成了兩個串聯(lián)在一起的電源。這個串聯(lián)的電源產(chǎn)生更高的電壓并通過二極管D給電容C充電。如果M管開關(guān)周期很短，電感在兩次充電過程之間將不會完全放電，所以當(dāng)M管開啟時，負(fù)載兩端電壓總會比電源輸入電壓要高。當(dāng)M管開啟時，與負(fù)載并聯(lián)的電容將會充電，隨著M管的關(guān)閉，右側(cè)電路被短接，這樣電容就能夠為負(fù)載提供能量，同時二極管的存在也保證了電流不會流過左側(cè)電路。為了防止電容放電過多，M管必須要很快的下一次開啟。

2.2.1 二極管的選擇

能量收集電路一個很重要的要求是工作在低輸入射頻功率下。從天線獲得的直流信號的峰值電壓一般來說都遠(yuǎn)小于二極管的閾值電壓，最好的情況是具有低開啟電壓的二極管。而且，由于能量收集電路工作在高頻率狀態(tài)下，需要使用一個開關(guān)時間很短的二極管。肖特基二極管是用一個金屬-半導(dǎo)體PN結(jié)的二極管，這能讓PN結(jié)工作更快，且正向壓降只有0.15V。在實驗中，用了兩個Avago Technologies二極管，HSMS-2822和HSMS-2852。前一個開啟電壓為340mV，后一個為150mV。HSMS-2852適合LPD在射頻能量很弱的環(huán)境下使用，而HSMS-2822適合HPD工作在RF能量很強的環(huán)境下。飽和電流是另一個影響二極管性能的重要參數(shù)，希望二極管有高飽和電流，低結(jié)電容，低等效串聯(lián)電阻（ESR）。此外，擁有更好的飽和電流的二極管能夠產(chǎn)生更好的正向電流，這有利于驅(qū)動負(fù)載。

雖然肖特基二極管具有很好的特性，但它很難被集成到芯片內(nèi)部，所以需要用MOS管將其替代。如圖14所示，MOS管柵極接地，負(fù)載為電容。理想情況下，Φ1時間段，當(dāng)RFIN+>V0時，電流流入電容并給電容充電；在Φ2時間段，當(dāng)RFIN+

2.2.2 級數(shù)

輸出電壓與能量收集電路的倍壓器級數(shù)成正比。然而，實際約束限制了級數(shù)，也就限制了輸出電壓。由于每級電容存在寄生電容的影響，隨著級數(shù)的增加，電壓增益會減小，最后都可以忽略不計了。圖15和圖16表示了級數(shù)對效率和電壓的影響。采用ADS 射頻輸入功率從-20dBm到20dBm和級數(shù)從1到9的模式，電路級數(shù)越多，效率就越高。然而，級數(shù)越多，效率曲線的峰值就越偏向更高功率區(qū)域。電壓曲線顯示，隨著電路級數(shù)的增加裝置能獲得更高的電壓，但是在低功率區(qū)域功率損耗也相應(yīng)的增加。

對于能量收集電路，負(fù)載阻抗的選擇是很重要的，對電路性能的影響如圖17所示。如果負(fù)載值太低或者太高電路的效率就會降低。該圖是對五級電路進(jìn)行測量后的結(jié)果，每一級都是改進(jìn)的串聯(lián)排列的HSMS-2852倍壓器。

2.2.3 RF輸入功率的影響

由于能量收集電路包括二極管，二極管本身是非線性器件，因此電路本身表現(xiàn)出非線性。這意味著能量收集電路的阻抗會隨著從天線接收到的功率的變化而改變。當(dāng)電路和天線匹配的時候，能夠達(dá)到最大功率傳輸效果，在特定的輸入功率表現(xiàn)出阻抗匹配。

圖18描繪了射頻輸入能量從-20dBm到20dBm對能量收集電路阻抗的影響。工作時的非線性表現(xiàn)在5dBm處有個拐點。

2.3 能量儲存

在能量儲存方面可以利用傳統(tǒng)的充電電池、新型薄膜電池以及電容對能量進(jìn)行儲存。但電池存在可充電次數(shù)有限，需要更換等缺點。這就需要考慮采用新的存儲方案，例如使用超級電容。傳統(tǒng)超級電容為電化學(xué)雙層電容器（EDLC），這種電容已經(jīng)有30多年的使用歷史了。EDLC是在必須被頻繁更換的電池與在使用封裝下無法提供足夠電荷存儲的靜電/電解電容之間的最好產(chǎn)品。

3 重點難點

設(shè)計能量收集器的難點有三個，分別是天線、靈敏度和轉(zhuǎn)換效率。

就天線而言，雖然科學(xué)工作者經(jīng)過多年努力已經(jīng)在設(shè)計技術(shù)方面取得了不小的成果，但是天線的小型化、寬頻帶問題仍是射頻能量收集技術(shù)的關(guān)鍵。原因是要將其應(yīng)用在較小的設(shè)備上就必須要求天線小型化，占用空間小；其次，空間中的射頻能量比較低，所分布頻帶比較散，所以要求天線必須具有寬頻帶的特點。

就靈敏度而言，靈敏度決定了能量收集器工作的最大范圍。射頻能量比較低時，對其進(jìn)行收集需要靈敏度較高的射頻能量收集器。影響靈敏度的因素主要有：天線與整流器之間的匹配情況、整流器件閾值電壓的影響等。經(jīng)科研工作者不斷努力，靈敏度雖已得到提高，但前提是需要使用幾十級的整流電路，這就導(dǎo)致芯片面積增加、寄生參數(shù)增加等一系列問題。

就轉(zhuǎn)換效率而言，功率轉(zhuǎn)換效率是收集器的一個重要指標(biāo)，當(dāng)射頻信號能量比較低時轉(zhuǎn)換效率會迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部閾值、內(nèi)部閾值、自閾值的補償以實現(xiàn)對整流MOS管進(jìn)行閾值補償加快其導(dǎo)通速度等方法。但這些技術(shù)效果還不是很理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)或者發(fā)展其他新方法。

4 結(jié)論

在當(dāng)今科技如此發(fā)達(dá)的社會，射頻能量幾乎無處不在，特別是在城區(qū)內(nèi)，這使得收集射頻能量來供給一些低功耗電子產(chǎn)品供電的概念成為可能。本文通過對已有的、應(yīng)用在射頻能量收集器上的天線、RF-DC轉(zhuǎn)換電路、電源管理電路進(jìn)行了總結(jié)與分析。然而，天線、靈敏度和轉(zhuǎn)換效率等幾個重點問題仍亟待解決。

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作者簡介

田龍（1988-），男，河北省人。碩士研究生學(xué)歷。研究方向為集成電路設(shè)計。

劉征（1989-），男，天津市人。碩士研究生學(xué)歷。研究方向為集成電路設(shè)計。

鞠家欣（1972-），男，黑龍江省人。博士研究生學(xué)歷。主要研究方向為集成電路設(shè)計。

篇（10）

中圖分類號：TP206+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

前言

真空熒光顯示屏VFD（vacuum fluorescent display）是1967年日本伊勢電子株式會社中村先生為首的研究小組發(fā)明的一種平板顯示器件，VFD是一種特殊的真空管，有二極管和三極管兩種。由發(fā)射電子的陰極（直熱式燈絲）、加速控制電子流的柵極、玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽極及柵網(wǎng)和玻蓋等構(gòu)成。它利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發(fā)光，是一種自發(fā)光顯示器件，可顯示數(shù)字、字符、圖形、點陣等。VFD具有發(fā)光亮度高、色澤鮮艷、顯示內(nèi)容豐富清晰、功耗低、壽命長以及制作成本低等無可替代的優(yōu)越性，目前在工業(yè)、商業(yè)特別是家用電器數(shù)字化產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

薄膜基板導(dǎo)電線路通常采用絲網(wǎng)漏印銀漿或真空鍍膜后光刻工藝。絲網(wǎng)漏印的線寬和間距一般小于0.075mm，鍍膜光刻的線寬和間距一般小于0.025mm。因為尺寸較小，生產(chǎn)過程極易造成導(dǎo)電線路的短接或斷線，由于這兩種原因造成產(chǎn)品的報廢率占不良產(chǎn)品的80%以上，所以它是工序重要控制點。通常規(guī)模較大的廠家一般都有較好的檢測設(shè)備，但是對于許多中小類型的VFD廠家，基本都采用人工肉眼檢查，需要較多的檢驗人員，且漏檢率較高，有了問題，到生產(chǎn)后期才發(fā)現(xiàn)，結(jié)果只能報廢。本文采用單片機(jī)配合探針群進(jìn)行檢測，能夠顯示那一根導(dǎo)電線路開路或和別的導(dǎo)電線路短路，就算不能返修，也能提早發(fā)現(xiàn)，把損失降到最低。

1電路設(shè)計

1．1電路總體框圖

如圖1，其中探針群是在絕緣有機(jī)玻璃板上，按1：1導(dǎo)電線路的位置，在引線兩端各鉆一個小孔，將探針固定在上面。導(dǎo)電線路的一端加5V驅(qū)動電壓，另一端接20K歐電阻接地，同時接電阻這一端又是取樣信號輸出。

1．2電路工作原理

如圖2，在檢測時，按一下開關(guān)K，給單片機(jī)一個低電平觸發(fā)信號。由單片機(jī)控制將5V驅(qū)動電壓從第一路開始，順序加在每一路的導(dǎo)電線路上。單片機(jī)依次掃描所有的輸出端口，當(dāng)任一導(dǎo)電線路加上驅(qū)動電壓后，因為導(dǎo)電線路的電阻還不到10Ω，當(dāng)導(dǎo)電線路正常時，只有該路輸出為高電平；若導(dǎo)電線斷線時，該路輸出為低電平；當(dāng)導(dǎo)電線路之間發(fā)生短路時，其它端口也會出現(xiàn)高電平。

通常對于大多數(shù)的VFD來說，其導(dǎo)電線路的路數(shù)不會太多，因此我們的系統(tǒng)設(shè)計為64路，當(dāng)一些的導(dǎo)電線路超過64路時，可以用兩套系統(tǒng)交疊使用。

在檢測系統(tǒng)中，一片三端穩(wěn)壓集成電路LM7805提供5V電源給所有的用電。AT89C52的P0口外接8個3K上拉電阻，其中P0.0～P0.3送地址信號給4-16線譯碼器CD4514B，P0.4～P0.7為4片譯碼器的片選控制端，當(dāng)P3.2輸入低電平啟動觸發(fā)信號后，CD4514B順序輸出高電平。P1口與取樣單元相連。P1.0～P1.3送信號給16選1集成電路74HC150的4個地址輸入端，P1.4～P1.7為4片16選1集成電路的片選控制端，74HC150的輸出端接到P3.3口。P2為顯示輸出端口。利用虛擬串行方式把路數(shù)序號經(jīng)過串入并出鎖存器74HC595驅(qū)動兩片7段LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。三個紅、黃、綠LED指示燈接到P2.5～P2.7口，分別表示VFD薄膜基板導(dǎo)電線路的開路、與別的導(dǎo)電線路短路和導(dǎo)電線路正常三種狀態(tài)。

2程序設(shè)計

檢測電路的主要軟件流程如圖3，驅(qū)動信號每輸出一路高電平，單片機(jī)逐一掃描后續(xù)的輸出端口。

當(dāng)所檢測的對應(yīng)線路輸入為高電平，其余線路的輸入為低電平，P2.5=0，P2.6=0，P2.7=1，綠色LED指示燈亮，表示該導(dǎo)電線路正常。繼續(xù)檢測下一路導(dǎo)電線路。當(dāng)所檢測的對應(yīng)線路輸入為高電平，其余線路的輸入有出現(xiàn)高電平時，P2.5=0，P2.6=1，P2.7=0，黃色LED指示燈亮，表示該導(dǎo)電線路發(fā)生短路現(xiàn)象。LED數(shù)碼管顯示發(fā)生故障路數(shù)序號。單片機(jī)不再往下執(zhí)行程序。當(dāng)所檢測的對應(yīng)線路輸入為低電平，P2.5=1，P2.6=0，P2.7=0，紅色LED指示燈亮，表示該導(dǎo)電線路發(fā)生斷路現(xiàn)象。LED數(shù)碼管顯示發(fā)生故障路數(shù)序號。單片機(jī)也不再往下執(zhí)行程序。

單片機(jī)通過P3.0和P3.1串行口外接RS232和RS485可以和上位機(jī)通訊。

若實際導(dǎo)電線路的路數(shù)小于64路，當(dāng)檢測完后，雖然紅色LED指示燈也會亮，但這時LED數(shù)碼管顯示發(fā)生故障路數(shù)序號將大于實際導(dǎo)電線路的路數(shù)，可認(rèn)為該產(chǎn)品是合格的。

3結(jié)論

本文提出的VFD基板導(dǎo)電線路檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過一段時間的實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的工作可靠性高，使用方便，能有效地降低漏檢率，提高工作效率。可適用于各種規(guī)格的VFD基板導(dǎo)電線路檢測。

參考文獻(xiàn)

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篇（11）

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）36-0084-02

電工學(xué)是一門非電專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其基本內(nèi)容是電工技術(shù)和電子技術(shù)，主要任務(wù)是為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識和從事工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)，并使他們受到必要的基本技能的訓(xùn)練。集成運算放大器（簡稱集成運放）是模擬電子技術(shù)中的重要器件，是幾乎目前所有的電子設(shè)備中都要用到的基本器件。集成運放是電工學(xué)中的重點知識，且種類繁多，從而對課堂教學(xué)提出了較高的要求。本文結(jié)合電工學(xué)課程教學(xué)實踐，探討基爾霍夫電流定律（簡稱KCL）在集成運放課程教學(xué)中的應(yīng)用。

一、集成運放

運算放大器（簡稱運放）是一種直流耦合、差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器，因為剛開始主要用于加法、減法等模擬運算電路中，因而得名。集成運算放大器（簡稱集成運放）是用集成電路工藝制成的運算放大器，與分立元件組成的放大電路相比，集成運放具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、工作可靠、安裝方便、價格便宜等眾多優(yōu)勢，因而在模擬運算、信號處理等領(lǐng)域都有著廣泛的用途。虛短、虛斷是模擬電路中理想集成運放的兩個重要概念。集成運放工作在線性區(qū)時，由于運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，運放的差模輸入電壓通常不足1mV，可以認(rèn)為兩個輸入端的電位相等u+=u-，即反相與同相輸入端之間相當(dāng)于短路，但事實上并沒有短路，稱為“虛短”；由于運放的差模輸入電阻很大，一般集成運放的輸入電阻都在1MΩ以上，因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流，故通常認(rèn)為反相與同相輸入端之間相當(dāng)于斷路，i+=i-≈0，但事實上并沒有斷路，稱為“虛斷”。

二、基爾霍夫電流定律

基爾霍夫定律概括了電路中電流和電壓分別遵循的基本規(guī)律，是分析和計算電路的基本依據(jù)。基爾霍夫電流定律（簡稱KCL）是用來確定連接在同一結(jié)點上的各支路電流間關(guān)系的。由于電流的連續(xù)性，電路中任何一點（包括結(jié)點在內(nèi)）均不能堆積電荷。因此，在任一瞬間，流入某一結(jié)點的電流之和應(yīng)該等于由該結(jié)點流出的電流之和。

三、利用基爾霍夫電流定律分析運算電路

本論文基于秦曾煌主編的第七版《電工學(xué)》教材[1]，從基爾霍夫電流定律（KCL）出發(fā)，分析了反相比例、同相比例、加法、減法等四種由集成運放組成的運算電路，均采用相同的電路分析步驟：（1）應(yīng)用KCL和虛斷條件i+=i-≈0列結(jié)點電流方程；（2）應(yīng)用歐姆定律將電流方程轉(zhuǎn)換成電壓方程；（3）應(yīng)用虛短條件u+=u-簡化電壓方程；（4）得到輸出電壓u■和輸入電壓u1二者之間的關(guān)系。

（一）反相比例運算電路

反相比例運算電路如圖1所示，輸入信號u1經(jīng)輸入端電阻R1接到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R2接地，反饋電阻RF連接在輸出端和反相輸入端之間。

根據(jù)i+=i-≈0，可以得到結(jié)點a處的電流關(guān)系：iI=iF，根據(jù)歐姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了輸入電壓u■和輸出電壓u■之外，還有一個未知量u■，根據(jù)u■=u+=-i+R2=0，可以將上式簡化為：

■=■，

即可得到輸出電壓u■和輸入電壓u■二者之間的關(guān)系：

u■=-■uI。

（二）同相比例運算電路

同相比例運算電路如圖2所示，輸入信號u■經(jīng)電阻R2接到同相輸入端u+，而反相輸入端通過輸入端電阻R1接地，反饋電阻RF連接在輸出端和反相輸入端之間。

根據(jù)i+=i-≈0，可以得到結(jié)點a處的電流關(guān)系：iI=iF，根據(jù)歐姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了輸出電壓u■之外，還有一個未知量u■，根據(jù)u■=u+=u■-i+R2=u■，可以將上式簡化為：

■=■，

即可得到輸出電壓u■和輸入電壓u■二者之間的關(guān)系：

u■=1+■u■。

（三）加法運算電路

反相加法運算電路如圖3所示，輸入信號u■1、u■2分別經(jīng)輸入端電阻R11、R12接到反相輸入端，而同相輸入端通過R2接地，反饋電阻RF連接在輸出端和反相輸入端之間。

根據(jù)i+=i-≈0，可以得到結(jié)點a處的電流關(guān)系：i■1+i■2=iF，根據(jù)歐姆定律可以得到：

■+■=■，

上式中除了輸入電壓u■1、u■2和輸出電壓u■之外，還有一個未知量u■，根據(jù)u■=u+=-i+R2=0，可以將上式簡化為：

■+■=■，

即可得到輸出電壓u■和輸入電壓u■1、u■2二者之間的關(guān)系：

u■=-■u■+■u■。

（四）減法運算電路

減法運算電路如圖4所示，輸入信號u■經(jīng)輸入端電阻R1接到反相輸入端，u■經(jīng)電阻R2、R3接到同相輸入端，反饋電阻RF連接在輸出端和反相輸入端之間。

根據(jù)i+=i-≈0，可以得到結(jié)點a處的電流關(guān)系：iI=iF，根據(jù)歐姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了輸入電壓u■1和輸出電壓u■之外，還有一個未知量u■，u■和u■之間滿足關(guān)系：u■=u+=■u■，

即可得到輸出電壓u■和輸入電壓u■1、u■二者之間的關(guān)系：u■=-■u■+1+■u■。

四、結(jié)論

綜上所述，本文從基爾霍夫電流定律（KCL）出發(fā)，分析了反相比例、同相比例、加法、減法等四種由集成運放組成的運算電路，該方法具有簡單可行、可操作性強等優(yōu)點。此外，KCL還可以應(yīng)用在基本放大電路的動態(tài)分析中，例如輸入、輸出電阻。實踐證明，該方法可以提高課堂教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生評價較好。

參考文獻(xiàn)：